Mid Sweden University

Silicon is a leading candidate for next-generation lithium-ion battery anodes thanks to its high theoretical capacity, yet its use is restricted by severe volume expansion and rapid capacity fading. A further challenge is that many approaches to stabilize Si rely on hazardous or complex syntheses.

This thesis presents a green, hydrofluoric acid-free thermochemical route to engineer porous silicon microparticles using urea as an etching agent. The process combines chemical reactions and mechanical stress from urea decomposition, producing mesoporous networks while maintaining crystalline integrity. Under favorable conditions, surface areas up to ~27 m2 g-1 were achieved, along with stabilizing Si–O and Si–N surface species confirmed by structural and chemical analyses.

Porous silicon was then incorporated into graphite composites for lithium-ion battery anodes. Electrodes with 10-20 wt% porous silicon delivered stable specific capacities of 630-880 mAh g-1 after 100 cycles, more than doubling untreated silicon composites and tripling pure graphite, while maintaining coulombic efficiencies above 98%. Higher silicon loadings caused instability, whereas rate tests showed porous silicon retained ~70% of its capacity at 2C.

These results establish urea-assisted porosification as a sustainable path toward practical silicon anodes and highlight the role of porosity in enabling stable, high-capacity batteries. Future work will focus on optimizing porous silicon as a stand-alone active material and performing postmortem analyses to clarify degradation mechanisms and the role of porosity in electrode stability.

Kisel (Si) är ett lovande anodmaterial för nästa generations litiumjonbatterier (LIB) tack vare sin mycket höga teoretiska kapacitet. Den praktiska användningen begränsas dock av kraftiga volymförändringar under cykling, vilket leder till sprickbildning, instabila gränssnitt och snabb kapacitetsförlust. Dessutom bygger många metoder för att framställa poröst kisel på vätefluoridsyra (HF), vilket innebär miljö- och säkerhetsproblem. I denna avhandling presenteras en grön och skalbar termokemisk metod för att framställa porösa kiselmikropartiklar med hjälp av urea-baserad etsning. Processen kombinerar kemisk reaktivitet och mekanisk stress från ureas fasövergångar vid förhöjd temperatur och ger mesoporösa strukturer samtidigt som kristalliniteten bevaras. Under gynnsamma förhållanden uppnåddes ytor på upp till ~27 m2 g-1, och analyser visade stabiliserande Si–O, och Si–N-bindningar vid ytan. Poröst kisel införlivades i grafitkompositer för elektrokemiska tester. Elektroder med 10-20 vikt% kisel uppvisade stabila kapaciteter på 630-880 mAh g-1 efter 100 cykler vid 0,1C, med coulombiska verkningsgrader över 98 %. Detta är mer än dubbelt så mycket som obehandlat kisel och nästan tre gånger så mycket som ren grafit. Högre kiselhalter ledde däremot till försämrad stabilitet. Vid hastighetstester behölls 65-74 % av kapaciteten vid 2C, vilket visar god effekt, och cyklingsprestanda. Arbetet visar att urea-baserad porosifiering är en hållbar metod för att producera funktionella kiselanoder. Framtida studier kommer att fokusera på att optimera poröst kisel som ett fristående aktivt material samt genomföra post mortem-analyser för att förstå degraderingsmekanismer och porositetens betydelse.