Si functionalization for Li-ion battery anode

Lithium-ion batteries (LIBs) are widely used in consumer electronics and transportation due to their energy density. Efforts to enhance LIBs for devices like tablets, drones, and electric vehicles have focused on improving energy density. Conventional LIBs using graphite as an anode face limitations due to its low theoretical capacity. Silicon has emerged as a promising alternative due to its high theoretical capacity. However, silicon anodes encounter challenges, including significant volume changes during charging cycles, leading to rapid capacity degradation over time. To address these challenges, the following dissertation has delved into nanostructured materials such as silicon nanoparticles (SiNPs). Unlike larger particles, SiNPs boast significantly larger surface areas, effectively alleviating stress induced by substantial volume changes during the charging and discharging processes. This characteristic helps prevent particle pulverization. Additionally, SiNPs are believed to possess higher average binding energy per atom on their surfaces. However, despite these advantages, SiNPs still experience considerable volume changes. Consequently, the repetitive expansion and contraction expose the lithiated silicon to the electrolyte repeatedly, leading to the eventual breakdown of active particles due to their weak interaction with other components of the anode. Surface functionalization of Si particles is crucial when it comes to maintaining the integrity of the electrode during cycling, especially for the nanoscaled Si particles. Therefore, a surface functionalization of Si particles with silanes has been performed and following tests have been run to check the battery's performance.

Le batterie agli ioni di litio (LIBs) sono ampiamente utilizzate nell'elettronica di consumo e nei trasporti grazie alla loro densità energetica. Gli sforzi per migliorare le LIBs per dispositivi come tablet, droni e veicoli elettrici si sono concentrati sul miglioramento della densità energetica. Le LIBs convenzionali che utilizzano la grafite come anodo presentano limitazioni dovute alla sua bassa capacità teorica. Il silicio è emerso come un'alternativa promettente grazie alla sua elevata capacità teorica. Tuttavia, gli anodi al silicio affrontano sfide, tra cui significativi cambiamenti di volume durante i cicli di ricarica, che portano a un rapido deterioramento della capacità nel tempo. Per affrontare queste sfide, la seguente dissertazione ha esaminato materiali nanostrutturati come nanoparticelle di silicio (SiNPs). A differenza delle particelle più grandi, le SiNPs vantano aree superficiali significativamente più grandi, alleviando efficacemente lo stress indotto dai considerevoli cambiamenti di volume durante i processi di carica e scarica. Questa caratteristica aiuta a prevenire la polverizzazione delle particelle. Inoltre, si ritiene che le SiNPs possiedano una maggiore energia di legame media per atomo sulla loro superficie. Tuttavia, nonostante questi vantaggi, le SiNPs subiscono comunque considerevoli cambiamenti di volume. Di conseguenza, l'espansione e la contrazione ripetitive espongono il silicio litato ripetutamente all'elettrolita, portando infine al deterioramento delle particelle attive a causa della debole interazione con altri componenti dell'anodo. La funzionalità superficiale delle particelle di silicio è cruciale per mantenere l'integrità dell'elettrodo durante il ciclo, specialmente per le particelle di silicio nano-scalate. Pertanto, è stata eseguita una funzionalizzazione superficiale delle particelle di silicio con silani e sono stati eseguiti test successivi per verificare le prestazioni della batteria.