Optimizing the Rate Performance of Silicon/Graphite Composite Anodes for Lithium-Ion Batteries

This thesis focuses on optimizing the rate performance of silicon/graphite composite anodes for lithium-ion batteries (LIBs), addressing the critical challenge of silicon's substantial volume changes during lithiation and delithiation, which often lead to mechanical degradation and capacity loss. The composite anodes are designed to enhance structural integrity and electrochemical performance by integrating graphite with silicon. The research systematically explores various silicon-to-graphite and additive-to-active material ratios to identify the optimal blend that maximizes capacity while maintaining stability. Composite anodes were tested through long-term galvanostatic cycling, rate capability tests, and shallow cycling performance. The rate capability tests were conducted in half-cell and pseudo-full cell configurations using LiFePO₄ (LFP) as the cathode material. Post-mortem analyses were performed using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and Raman spectroscopy to investigate the failure mechanisms. Results demonstrate that silicon/graphite composite anodes with specific compositions significantly enhance rate performance and cycling stability compared to pure silicon anodes. By adjusting the silicon content in composite anodes, similar initial coulombic efficiencies and losses as pure silicon anodes can be achieved while gaining higher cycling stability and experiencing 10-20% less capacity fade over long-term cycling. This also reduces internal resistance and voltage drops despite sacrificing 10-30% of the initial discharge capacity we obtained for pure silicon anodes. The use of LFP as the cathode in pseudo-full cell configurations further validates the practical applicability of these composites in real-world battery systems. The results provide significant insights into the design and electrochemical behavior of silicon-based composite anodes, contributing to the development of high-performance LIBs. The findings are crucial for advancing battery technology, particularly for applications requiring high energy density, fast charging capabilities, and long cycle life.

Questa tesi si concentra sull'ottimizzazione delle prestazioni di velocità degli anodi compositi di silicio/grafite per batterie agli ioni di litio (LIB), affrontando la sfida critica dei sostanziali cambiamenti di volume del silicio durante la litiazione e delitiazione, che spesso portano a degrado meccanico e perdita di capacità. Gli anodi compositi sono progettati per migliorare l'integrità strutturale e le prestazioni elettrochimiche integrando la grafite con il silicio. La ricerca esplora sistematicamente vari rapporti tra silicio e grafite e tra additivi e materiale attivo per identificare la miscela ottimale che massimizza la capacità mantenendo la stabilità. Gli anodi compositi sono stati testati attraverso cicli galvanostatici a lungo termine, test di capacità di velocità e prestazioni di cicli superficiali. I test di capacità di velocità sono stati condotti in configurazioni di mezza cella e pseudo-cellula completa utilizzando LiFePO₄ (LFP) come materiale catodico. Le analisi post-mortem sono state eseguite utilizzando microscopia elettronica a scansione (SEM), spettroscopia a dispersione di energia (EDS) e spettroscopia Raman per investigare i meccanismi di guasto. I risultati dimostrano che gli anodi compositi di silicio/grafite con composizioni specifiche migliorano significativamente le prestazioni di velocità e la stabilità del ciclo rispetto agli anodi di puro silicio. Regolando il contenuto di silicio negli anodi compositi, si possono ottenere efficienze coulombiche iniziali e perdite simili a quelle degli anodi di puro silicio, guadagnando al contempo una maggiore stabilità del ciclo e sperimentando una riduzione del 10-20% della perdita di capacità nel lungo periodo. Questo riduce anche la resistenza interna e le cadute di tensione, nonostante il sacrificio del 10-30% della capacità di scarica iniziale ottenuta per gli anodi di puro silicio. L'uso di LFP come catodo in configurazioni pseudo-cellula completa convalida ulteriormente l'applicabilità pratica di questi compositi nei sistemi di batterie del mondo reale. I risultati forniscono importanti intuizioni nel design e nel comportamento elettrochimico degli anodi compositi a base di silicio, contribuendo allo sviluppo di LIB ad alte prestazioni. Le scoperte sono cruciali per il progresso della tecnologia delle batterie, in particolare per applicazioni che richiedono alta densità energetica, capacità di ricarica rapida e lunga durata del ciclo.