Manufacture of graphene-silicon composites for lithium- ion batteries

I kommersiella litiumjonbatterier används ofta grafit i anodmaterialet, främst på grund av att det reversibelt kan placeras litiumjoner mellan dess lager. Grafit har dock en begränsad energitäthet och forskning bedrivs därför för att finna metoder som kan öka energitätheten hos anodmaterialet. Kisel, som har en betydigt högre energitäthet, kan interkalleras i grafiten för att öka energitätheten. För att undvika en förstörande volymexpansion som sker under litieringen när kisel tillämpas måste interkalleringen göras med kiselnanopartiklar. En skalbar metod för att framställa kiselnanopartiklar på nanografitflak har tagits fram och presenterats i en artikel av Phadatare et al. Syftet bakom det här arbetet har varit att lägga grund för en storskalig produktion av kiselbaserade anoder avsedda att användas i litiumjonbatterier för att ge dem en ökad kapacitet. Målet med arbetet var att genom laborativa undersökningar presentera hurvida metoden presenterad i artikeln är repeterbar samt hur olika parametrar påverkar resultatet inför en uppskalning. Resultaten bekräftade att metoden presenterad i artikeln är repeterbar och att den tillhörande ugnsprocessen bör utföras i en rörugn. Resultaten visade också att temperaturen för ugnsprocessen inte bör sänkas till så lågt som 600 °C, men att potential finns för att kunna sänka temperaturen från nuvarande 800 °C. Vid nuvarande temperatur bör andelen kisel inte ökas till ≥ 47 %, men bedöms ha potential att kunna ökas från nuvarande 33 %. Resultaten visade endast en liten bildning av kiselnanopartiklar då ett kiselpulver av annan kvalitet än det beskrivet i artikeln användes och visade på att valet av utgångsmaterialet är av stor vikt. Resultaten visade vidare att dispergeringsmedlet polyvinylakohol, PVA, inte kan uteslutas. Resultaten tydde på att det finns potential för att kunna minska andelen PVA, men att det inte bör reduceras till motsvarande en halverad koncerntration av vad som presenterats i artikeln. Resultaten visade också att processen måste utföras i en syrefattig miljö för att inte orsaka oxidaton av nanografiten. Däremot tydde resultaten på att mekanismen för bildningen av kiselnanopartiklar inte är syrekänslig och att mekanismen inte tycks vara beroende av att just PVA utgör den, om teorin stämmer, nödvändiga vätekällan.In commercial lithium ion batteries graphite is often used in the anode material, mainly because it can reversibly contain lithium ions between the layers. However, graphite has a limited energy density and research is therefore being performed to find methods that will increase the energy density of the anode material. Silicon, which has a significantly higher energy density, can be intercalated in the graphite to increase the energy density. However, in order to avoid a destructive volume expansion that occurs during the lithiation, the intercalation must be performed with silicon nanoparticles. A scalable method for producing silicon nanoparticles on nanographite flakes has been developed and presented in an article by Phadatare et al. The purpose behind this work has been to lay the foundation for large-scale production of silicon- based anodes intended to be used in lithium-ion batteries to provide them with increased capacity. The aim of the work was to present whether the method is repeatable and how different parameters affect the results for an upscaling, which was done through laboratory investigations. The results confirmed that the method presented in the article is repeatable and that the process should be carried out using a tube furnace. The results also showed that the temperature of the oven process should not be lowered to 600 °C, but that there is potential to lower it from the current 800 °C. At the current temperature, the percentage of silicon should not be increased to ≥ 47 %, but is considered to have the potential to be increased from the current 33 %. Only a small proportion of silicon nanoparticles was formed when a silicon powder of a different quality than that described in the article was used and showed that the choice of the silicon starting material is of great importance. The results further revealed that the dispersant polyvinyl alcohol, PVA, cannot be excluded. The results showed that there is potential to reduce the proportion of PVA, but that it should not be reduced to as much as half the concentration that is presented in the article. The results showed that the process must be carried out in an oxygen-poor environment in order not to cause oxidation of the nanographite. However, the results also indicated that the mechanism for the formation of silicon nanoparticles is not oxygen sensitive and that the mechanism, if the existing theory is correct, does not appear to be dependent on PVA beeing the source of hydrogen