Nanostructuring and nanohybridization concepts for improved lithium-ion battery electrodes

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) stellen die derzeit wichtigste Technologie zur elektrochemischen Energiespeicherung dar. In den ersten kommerziell erhaltlichen LIB wurde Graphit als negative Elektrode, und Lithium-Kobalt(III)oxid (LCO) als positive Elektrode verwendet. Auch heutzutage haben LIB bestehend aus diesen beiden Materialien noch immer den hochsten Marktanteil, trotz gewisser Nachteile wie beispielsweise geringe spezifische Kapazitaten und unzureichende Laderaten. Dies hat zur Folge, dass deren Einsatz in den immer wichtiger werdenden Anwendungsfeldern Elektromobilitat und Batterie-Speicherkraftwerke begrenzt ist. Um die Leistungsfahigkeit von LIB zu steigern und somit auch Verbesserungen in den genannten Gebieten zu erzielen, wurden in den letzten Jahren verschiedene Strategien untersucht. Der am haufigste verfolgte Ansatz ist hierbei, die etablierten Aktivmaterialien durch jene mit einer weiterentwickelten Chemie der Ladungsspeicherung und folglich hoheren spezifischen Kapazitaten zu ersetzen. Das Potential dieser Strategie wird in dieser Arbeit beispielsweise anhand von Zinn(IV)oxid gezeigt, welches insbesondere aufgrund seiner sehr hohen theoretischen Kapazitat eine interessante Alternative zu Graphit darstellt. Diese hohe Kapazitat kann jedoch nur im Falle von nanometergrosen Zinnoxid Partikeln erreicht werden, da nur dann die entsprechenden Lithiierungs- und Delithiierungsreaktionen vollstandig reversibel ablaufen. Zudem ermoglicht die Nanoskalierung des Aktivmaterials kurzere Li+ Diffusionswege, wodurch eine Verbesserung der Lithiierungs- und Delithiierungskinetiken erzielt werden kann. Diese Strategie eignet sich, wie in dieser Arbeit gezeigt, auch um andere Anoden- und Kathodenmaterialien wie LiCoO2 und Li(NixCoyMnz)O2 weiterzuentwickeln. Um die elektrochemische Leistungsfahigkeit zusatzlich zu verbessern, ist neben der Steuerung der Partikelgrose des Aktivmaterials die Herstellung von Verbundmaterialien von Vorteil. Diese Verbundmaterialien setzen sich aus dem Aktivmaterial und leitfahigen Tragermaterialien zusammen. Letztere sind typischerweise kohlenstoffhaltige Verbindungen, wie zum Beispiel Kohlenstoffnanorohren (CNT), reduziertes Graphenoxid (rGO) oder Kohlenstoffnanofasern. Diese Tragermaterialien tragen zu einer signifikanten Erhohung der Gesamtleitfahigkeit bei und verleihen den Verbundelektroden daruber hinaus eine hohe strukturelle Stabilitat. Die Vorteilhaftigkeit dieses Ansatzes wird in dieser Arbeit anhand verschiedener Anoden- (SnO2 und MoS2) und Kathodenmaterialien (LiFe0.2Mn0.8PO4; LFMP) gezeigt. Eine Verbesserung der elektrochemischen Leistungsfahigkeit einer Batterie kann nicht nur durch Verwendung neuer und/oder verbesserter Materialien erfolgen. Eine zusatzliche Option stellt die Optimierung der Elektrodenarchitektur dar, welche als Erganzung zu erstgenannten Vorgehensweisen fungieren kann. Die derzeit verwendeten Elektroden bestehen typischerweise aus Aluminium- oder Kupferfolien, auf denen das Aktivmaterial aufgetragen wurde. Die Verwendung solcher Folien als Stromabnehmer hat jedoch zur Folge, dass die spezifische Gesamtkapazitat aufgrund des hohen Anteils an elektrochemisch inaktivem Material verringert ist. Ein interessanter Ausweg ist der Einsatz von freistehenden Elektroden, die keine metallischen Tragerfolien benotigen. Frei- oder selbststehende Elektroden sind typischerweise Hybridmaterialien, die aus einer (kohlenstoffhaltigen) Tragermatrix aufgebaut sind, in der das Aktivmaterial eingebettet ist. Aufgrund des eingesparten Stromabnehmers weisen freistehende Elektroden, im Vergleich zu herkommlichen Elektroden, einen insgesamt geringeren Anteil an elektrochemisch inaktiven Materialien auf. In dieser Arbeit werden freistehende ATO/rGO, MoS2/CNT und LFMP/rGO Verbundmaterialien vorgestellt, die sehr gute elektrochemische Eigenschaften zeigen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit das grose Potenzial verschiedener (nanostrukturierter) Anoden- und Kathodenmaterialien mit Partikelgrosen im Nanometerbereich. Auserdem konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Kompositmaterialien, die durch Einbettung des Aktivmaterials in eine kohlenstoffhaltige Tragermatrix gewonnen wurden, die Zyklenstabilitat und Leistungsfahigkeit bei unterschiedlichen C-Raten drastisch verbesserte. Weiterhin zeigten die untersuchten freistehenden Kompositelektroden eine bemerkenswerte und auserst vielversprechende elektrochemische Leistungsfahigkeit, welche unter anderem auf die verringerte Menge an elektrochemisch inaktivem Material zuruckzufuhren ist. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse bezuglich Strukturoptimierung, Zusammensetzung und (neuer) Synthesetechniken konnen ferner zur Entwicklung zukunftiger Aktivmaterialien fur Hochleistungsbatterien beitragen, welche insbesondere benotigt werden, um die angestrebte Elektrifizierung des Mobilitats- und Energiesektors erfolgreich umzusetzen.