Untersuchungen zur PVD-Herstellung und Lithiierung von Siliziumelektroden für Lithium-Luft-Batterien

Inhaltsverzeichnis

• 1. Einleitung
• 2. Grundlagen
  • 2.1 Batterie
    • 2.1.1 Funktionsprinzip
    • 2.1.2 Doppelschicht
  • 2.2 Li-Ionen Batterie
    • 2.2.1 Stand der Technik
    • 2.2.2 Entwicklungspotential
  • 2.3 PVD Herstellung
    • 2.3.1 Kathodenzerstäubung
    • 2.3.2 Rakeln
    • 2.3.3 Thermisches Verdampfen
  • 2.4 Analytische Methoden
• 3. Experimentelle Basis
  • 3.1 Herstellung
    • 3.1.1 Sputtern
    • 3.1.2 Dickschichtelektroden
    • 3.1.3 Lithiierung der Siliziumelektroden
    • 3.1.4 Coffeebag
  • 3.2 Analyse
    • 3.2.1 Experimentelle Ermittlung von Strom-Potential Kurven
    • 3.2.2 Elektrochemische Impedanzspektroskopie
• 4. Darstellung der Ergebnisse und Auswertung
  • 4.1 Evaluation der Sputterparameter
  • 4.2 Charakterisierung der Siliziumelektrode
  • 4.3 Alterungseffekte in Siliziumelektroden
  • 4.4 Einfluss der Spannung auf die Alterung
  • 4.5 Vorlithiiertes Silizium
• 5. Fazit und Ausblick
• 6. Anhang

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die vorliegende Masterarbeit untersucht physikalisch abgeschiedene Dünnschicht-Elektroden aus Silizium für Lithium-Luft-Batterien. Hauptziel ist die Charakterisierung des Materialverhaltens, die Identifizierung von Degradationseffekten und die Entwicklung verbesserter Herstellungsverfahren, insbesondere im Hinblick auf die Lithiierung der Siliziumelektroden.

• Charakterisierung elektrochemischen Verhaltens von Siliziumelektroden
• Analyse von Degradationseffekten und deren Einfluss auf die Lebensdauer
• Untersuchung verschiedener Lithiierungsmethoden (thermisches Verdampfen, elektrochemische Lithiierung)
• Optimierung der Herstellungsprozesse für Siliziumelektroden
• Übertragung der Ergebnisse auf Dickschichtelektroden

Zusammenfassung der Kapitel

1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die Thematik der Lithium-Ionen-Batterien und deren Bedeutung für die Elektromobilität ein. Sie beleuchtet die Herausforderungen, die durch die begrenzte Kapazität konventioneller Anodenmaterialien entstehen und stellt Silizium als vielversprechenden Kandidaten für den Ersatz der Graphitanode vor. Die Arbeit fokussiert sich auf die Lithiierung von Silizium für die Verwendung in Lithium-Luft-Batterien, da sowohl Silizium als auch vielversprechende Kathodenmaterialien für Lithium-Luft-Batterien lithiumfrei sind. Die Notwendigkeit einer externen Lithiierung wird hervorgehoben.

2. Grundlagen: Dieses Kapitel vermittelt die grundlegenden elektrochemischen Prinzipien von Batterien und Lithium-Ionen-Batterien, inklusive des Funktionsprinzips, der Doppelschichtbildung und des Stofftransports. Es werden PVD-Herstellungsverfahren wie Kathodenzerstäubung (Sputtern), Rakeln und thermisches Verdampfen beschrieben, sowie relevante analytische Methoden wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und die Raman-Spektroskopie erläutert.

3. Experimentelle Basis: Dieses Kapitel beschreibt detailliert die experimentellen Methoden der Arbeit. Es umfasst die Herstellung von amorphen Silizium-Dünnschichten mittels Sputtern, die Herstellung von Dickschichtelektroden durch Rakeltechnik und die Lithiierung der Elektroden durch thermisches Verdampfen und elektrochemische Methoden. Die verwendeten Analysemethoden, insbesondere die elektrochemischen Messungen und die Impedanzspektroskopie, werden präzise erklärt.

4. Darstellung der Ergebnisse und Auswertung: Dieses Kapitel präsentiert und analysiert die gewonnenen Ergebnisse. Es beinhaltet die Evaluierung der Sputterparameter für die Herstellung gleichmäßiger Siliziumschichten, die detaillierte elektrochemische Charakterisierung der Siliziumelektroden, die Untersuchung von Alterungseffekten, den Einfluss verschiedener Spannungsgrenzen auf die Degradation und schließlich die Ergebnisse zur Lithiierung von Silizium durch thermisches Verdampfen sowie die Übertragung auf Dickschichtelektroden und ein kombiniertes Verfahren.

Schlüsselwörter

Lithium-Luft-Batterien, Siliziumelektroden, PVD-Herstellung, Lithiierung, elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Raman-Spektroskopie, Degradation, Alterung, Dünnschichttechnologie, Dickschichttechnologie, amorphes Silizium.

Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Masterarbeit: Physikalisch abgeschiedene Dünnschicht-Elektroden aus Silizium für Lithium-Luft-Batterien

Was ist das Hauptthema der Masterarbeit?

Die Masterarbeit untersucht physikalisch abgeschiedene Dünnschicht-Elektroden aus Silizium für Lithium-Luft-Batterien. Das Hauptziel ist die Charakterisierung des Materialverhaltens, die Identifizierung von Degradationseffekten und die Entwicklung verbesserter Herstellungsverfahren, insbesondere im Hinblick auf die Lithiierung der Siliziumelektroden.

Welche Themen werden in der Arbeit behandelt?

Die Arbeit umfasst die Grundlagen von Batterien und Lithium-Ionen-Batterien, verschiedene PVD-Herstellungsverfahren (z.B. Sputtern, Rakeln, thermisches Verdampfen), die elektrochemische Charakterisierung von Siliziumelektroden, die Analyse von Degradationseffekten und Alterungsprozessen, verschiedene Lithiierungsmethoden (thermisches Verdampfen, elektrochemische Lithiierung) und die Übertragung der Ergebnisse auf Dickschichtelektroden.

Welche Methoden wurden in der experimentellen Arbeit verwendet?

Die experimentellen Methoden beinhalten die Herstellung von amorphen Silizium-Dünnschichten mittels Sputtern, die Herstellung von Dickschichtelektroden durch Rakeltechnik und die Lithiierung der Elektroden durch thermisches Verdampfen und elektrochemische Methoden. Zur Analyse wurden elektrochemische Messungen (Strom-Potential-Kurven) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eingesetzt.

Welche Ergebnisse wurden erzielt?

Die Ergebnisse beinhalten die Evaluierung der Sputterparameter für die Herstellung gleichmäßiger Siliziumschichten, die detaillierte elektrochemische Charakterisierung der Siliziumelektroden, die Untersuchung von Alterungseffekten, den Einfluss verschiedener Spannungsgrenzen auf die Degradation und die Ergebnisse zur Lithiierung von Silizium durch thermisches Verdampfen sowie die Übertragung auf Dickschichtelektroden und ein kombiniertes Verfahren.

Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?

Lithium-Luft-Batterien, Siliziumelektroden, PVD-Herstellung, Lithiierung, elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Raman-Spektroskopie, Degradation, Alterung, Dünnschichttechnologie, Dickschichttechnologie, amorphes Silizium.

Welche Kapitel umfasst die Arbeit?

Die Arbeit ist gegliedert in folgende Kapitel: Einleitung, Grundlagen (Batterien, Li-Ionen Batterien, PVD Herstellung, Analytische Methoden), Experimentelle Basis (Herstellung, Analyse), Darstellung der Ergebnisse und Auswertung, Fazit und Ausblick, Anhang. Jedes Kapitel behandelt spezifische Aspekte der Thematik, von grundlegenden Prinzipien bis hin zur detaillierten Ergebnispräsentation und -auswertung.

Was ist die Zielsetzung der Arbeit?

Die Zielsetzung ist die Charakterisierung des elektrochemischen Verhaltens von Siliziumelektroden, die Analyse von Degradationseffekten und deren Einfluss auf die Lebensdauer, die Untersuchung verschiedener Lithiierungsmethoden, die Optimierung der Herstellungsprozesse für Siliziumelektroden und die Übertragung der Ergebnisse auf Dickschichtelektroden.