Mid Sweden University

Lithium-ion batteries are crucial for the transition to a sustainable energy society, powering everything from portable electronics to electric vehicles. To meet the ever-growing demand for higher energy density, silicon has emerged as one of the most promising alternative anode materials due to its exceptionally high theoretical capacity (up to 4200 mAhg⁻¹), which is nearly ten times that of conventional graphite anode. However, the massive volume expansion (~300–400%) of silicon during lithiation causes severe mechanical stress, particle pulverization, and rapid capacity fading, limiting its commercial viability. This thesis aims to develop safe, low-cost, and scalable silicon-based anode materials by engineering nanostructured silicon graphite composites and elucidating their fundamental growth mechanisms. This was achieved through a stepwise progression, beginning with a one-pot thermal synthesis of a highly stable silicon-nanographite aerogel (SNGA) composite, and advancing to a two-pot furnace method that decouples precursor generation from nanoparticle deposition. Morphological analysis revealed the in-situ growth of silicon nanoparticles directly onto nanographite flakes, effectively buffering volume expansion during cycling. To better understand and control this nanoparticle formation, a two-pot furnace method was developed, successfully decoupling precursor generation from nanoparticle deposition. This hydrogen-assisted approach eliminates the need for highly toxic precursor gases typical of Chemical Vapor Deposition (CVD). By systematically investigating the thermodynamic and kinetic parameters, including temperature, gas flow rate, and dwell time the underlying growth mechanism was identified. Electrochemical evaluation of the resulting binder-free composite electrodes via cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge cycling confirmed their structural integrity and electrochemical stability. The findings presented in this thesis offer a viable pathway for the production of silicon nanoparticle based high-capacity lithium-ion battery anodes.

Litiumjonbatterier är avgörande för omställningen till ett hållbart energisamhälle och driver allt från bärbar elektronik till elfordon. För att möta den ständigt växande efterfrågan på högre energidensitet har kisel framträtt som ett av de mest lovande alternativa anodmaterialen på grund av dess exceptionellt höga teoretiska kapacitet (upp till 4200 mAh g⁻¹), vilket är nästan tio gånger högre än för konventionella grafitanoder. Emellertid orsakar den massiva volymexpansionen (~300–400%) hos kisel under litiering allvarliga mekaniska spänningar, partikelsönderdelning och snabb kapacitetsförlust, vilket begränsar dess kommersiella gångbarhet. Denna avhandling syftar till att utveckla säkra, kostnadseffektiva och skalbara kiselbaserade anodmaterial genom att konstruera nanostrukturerade kisel-grafitkompositer och klargöra deras grundläggande tillväxtmekanismer. Arbetet har fortskridit stegvis, med utgångspunkt i en termisk en-kärlssyntes (one-pot) av en mycket stabil kisel nanografit aerogelkomposit (SNGA). Morfologisk analys påvisade in situ-tillväxt av kiselnanopartiklar direkt på nanografitflak, vilket effektivt dämpar volymexpansionen under cykling. För att bättre förstå och kontrollera denna nanopartikel bildning utvecklades en två-kärls ugnsmetod (two-pot), som framgångsrikt separerade genereringen av prekursorer från deponeringen av nanopartiklar. Detta vätgasassisterade tillvägagångssätt eliminerar behovet av mycket giftiga prekursorgaser som annars är typiska för kemisk ångdeponering. Genom att systematiskt undersöka termodynamiska och kinetiska parametrar, inklusive temperatur, gasflödeshastighet och uppehållstid, kunde den bakomliggande tillväxtmekanismen identifieras. Elektrokemisk utvärdering av de resulterande bindemedelsfria kompositelektroderna och urladdningscykling bekräftade deras strukturella integritet och elektrokemiska stabilitet. De resultat som presenteras i denna avhandling erbjuder en framkomlig väg för produktion av högkapacitetsanoder för litiumjonbatterier baserade på kiselnanopartiklar.