Mechanistic and Electrochemical Analysis of Silicon–Carbon Composites as High-Capacity Anode Material for Lithium-Ion Solid-State Batteries

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Beitragende

  • Stephanie Mörseburg - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Svea Lilly Margarete Schlag - , Technische Universität Dresden, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Jonas Kunigkeit - , Professur für Bioanalytische Chemie (AnC1) (Autor:in)
  • Felix Hippauf - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Sahin Cangaz - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Susanne Dörfler - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Thomas Abendroth - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Holger Althues - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Eike Brunner - , Professur für Bioanalytische Chemie (AnC1) (Autor:in)
  • Stefan Kaskel - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)

Abstract

The combination of both high mechanical stability due to internal volume compensation and high capacities by incorporated silicon renders silicon–carbon (Si–C) void structures attractive anode materials for lithium-ion solid-state batteries (LISSBs). Evaluating the lithiation mechanism of Si–C composite (30 wt% Si, 1473 mAh gSi–C−1) electrodes in half-cells versus lithium using Li6PS5Cl as a solid electrolyte also reveals participation of the carbon matrix. Consequently, the storage of additional capacity in the carbon shell of the Si–C particles [= carbon (over)lithiation] is investigated in full cells versus nickel-rich NCM (n/p < 1) and compared with non-overlithiated Si–C|SE|NMC cells (n/p > 1). The absence of metallic lithium deposition is evidenced by 7Li Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, indicating solely (over)lithiation of the carbon matrix without lithium plating. Finally, the investigation of application-relevant pouch cells (n/p > 1) demonstrates minimal breathing behavior together with high reversibility even at stack pressures as low as 5 MPa.

Details

OriginalspracheEnglisch
Aufsatznummere70409
FachzeitschriftBatteries and Supercaps
Jahrgang9
Ausgabenummer7
PublikationsstatusVeröffentlicht - Juli 2026
Peer-Review-StatusJa

Schlagworte

ASJC Scopus Sachgebiete

  • Energieanlagenbau und Kraftwerkstechnik - lithium-ion solid-state batteries, nanostructures, NMR spectroscopy, silicon–carbon composites, thiophosphate solid electrolyte
  • Elektrotechnik und Elektronik - lithium-ion solid-state batteries, nanostructures, NMR spectroscopy, silicon–carbon composites, thiophosphate solid electrolyte
  • Elektrochemie - lithium-ion solid-state batteries, nanostructures, NMR spectroscopy, silicon–carbon composites, thiophosphate solid electrolyte

Schlagwörter

  • lithium-ion solid-state batteries, nanostructures, NMR spectroscopy, silicon–carbon composites, thiophosphate solid electrolyte