Nuclear magnetic resonance studies of energy storage materials
Creators: name: Keil, Waldemar
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2022

description: In dieser Arbeit wurden verschiedene physikochemische Eigenschaften von i) Polymerelektrolyten und ihren Bestandteilen sowie von ii) kohlenstoffhaltigen Materialien untersucht. i) Zunächst wird die Wasserstoffbrückenbindung in der ionischen Flüssigkeit [EMIM][OTf] untersucht, die zur Herstellung von deuteriertem [EMIM]+ verwendet wird. Die Ionendynamik (7Li, 1H) wird für PVdF-HFP-basierte Polymerelektrolyte untersucht, wobei die Ergebnisse gut mit zuvor gemessenen elektrochemischen Daten übereinstimmen. Für die untersuchten Polymerelektrolyte wurde eine anomale Ionendiffusion festgestellt, die durch Diffusions- NMR-Messungen ermittelt wurde. Darüber hinaus wurden elektrochemische Messungen durchgeführt, um den Abbau des Polymerelektrolyten beim Zyklus in einer symmetrischen Lithiumzelle zu verfolgen. Zusätzliche Magic-angle-spinning NMR Messungen an den Polymerelektrolyten haben ergeben, dass die Messung die Ionenleitfähigkeit enorm erhöht. ii) Der Prozess der Pyrolyse von Saccharose- und Trehalose-Hydrokohle wird ex situ mittels 13C NMR Spektroskopie verfolgt. Die Erhöhung der Pyrolysetemperatur führt zu einem schrittweisen Wachstum von graphitähnlichen Schichten mit einer großen Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität. Außerdem wird die chemische Struktur von Poly(C3O2) analysiert und bestätigt, dass aus Polypyron-Einheiten besteht. Schließlich wurden zeitaufgelöste 1H-Messungen an mit H2O imprägnierten C1N1 Proben und an rein kohlenstoffbasierten Proben durchgeführt, um zwischen Wasser in Poren und außerhalb der Poren zu unterscheiden, wobei festgestellt wurde, dass das C1N1 Material im Wesentlichen kein Wasser aufnimmt.
description: Different physicochemical properties of i) polymer electrolytes and their components and of ii) carbonaceous materials, were examined in this work. i) Hydrogen bonding is found in the ionic liquid [EMIM][OTf], which is used to prepare deuterated [EMIM]+. Ion dynamics (7Li, 1H) is studied for PVdF-HFP-based polymer electrolytes and found to corelate well with previously measured electrochemical data. Anomalous ion diffusion probed by diffusion NMR measurements is found for the studied polymer electrolytes. Further, electrochemical probes were used to follow the polymer electrolyte degradation upon cycling the latter in a symmetric lithium cell. Additional, Magic- angle-spinning (MAS) NMR measurements performed on the studied polymer electrolytes are found to increase the ionic conductivity tremendously. ii) The process of pyrolysis of sucrose- and trehalose derived hydrochars is followed ex situ by means of 13C NMR spectroscopy. Increasing the pyrolysis temperature causes a stepwise growth of graphite-like sheets, with a large anisotropy of the magnetic susceptibility. Further, the chemical structure of poly(C3O2) is analyzed and confirmed to be composed of polypyrone units. Finally, time-resolved 1H measurements on H2O impregnated C1N1 samples and purely carbon-based samples were used to differ between in-pore and ex-pore water, finding that water uptake is essentially absent for the C1N1 material.