Binder-free porous germanium anode for Li-ion batteries

Per sviluppare batterie agli ioni di litio ad alta densità energetica, è necessario l’utilizzo di nuovi materiali elettrodici. Il germanio è una delle possibili alternative all’anodo più comunemente impiegato, la grafite (372 mAh/g), grazie alla sua capacità gravimetrica teorica quattro volte maggiore (1600 mAh/g). In questo lavoro viene presentato un processo in due fasi per realizzare un anodo in germanio poroso privo di legante (binder), realizzando film di semiconduttore su substrati metallici mediante deposizione chimica da fase vapore assisitita da plasma (PECVD) ed effettuando successivamente un attacco elettrochimico con acido fluoridrico per creare una struttura porosa. L’elettrodo in germanio poroso ha raggiunto una capacità di 1250 mAh/g ad una velocità di carica/scarica pari ad 1C (1C = 1600 mA/g) mantenendo, inoltre, una capacità stabilmente superiore a 1100 mAh/g per più di 1000 cicli a diversi C-rate fino a 5C. Sia la tecnica di deposizione che quella di attacco chimico sono scalabili per la produzione industriale, i cui possibili campi di applicazione sono il settore aerospaziale o medico, a causa dell’elevato costo del germanio come materia prima.

To develop high energy density lithium ion batteries, the use of new electrode materials is required. Germanium is among the possible alternatives to the most commonly used anode, graphite (372 mAh/g), thanks to its four-times higher theoretical gravimetric capacity (1600 mAh/g). Here is presented a two-step method to produce a binder-free porous germanium anode, depositing the semiconductor on metallic substrates by means of Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) and subsequently performing an electrochemical etching with hydrofluoric acid to create a porous structure. The Ge-based electrode attained a capacity of 1250 mAh/g at a current rate of 1C (1C=1600 mA/g) and retained a stable capacity above 1100 mAh/g for more than 1000 cycles tested at different C-rates up to 5C. Both deposition and etching techniques are scalable for industrial production, whose fields of application could be aerospace or medical applications, due to the high cost of germanium as a raw material.