Investigation of Metal Oxides/Sulfides as Negative Electrode Materials for Li-ion and Beyond-Li Batteries
Creators: name: Li, Chengping
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Lithium-ion batteries
in operando synchrotron radiation diffraction
X-ray absorption spectroscopy
Fe2O3
FeS
SnS2-rGO
sodium-ion batteries
potassium-ion batteries

description: Die Notwendigkeit zur Reduzierung des Verbrauchs traditioneller fossiler Brennstoffe und die Bewahrung der natürlichen Umwelt hat viel Aufmerksamkeit auf Energiespeichertechnologien gelenkt. Alkali-Ionen-Batterien sind eine der Energiespeichertechnologien. Die Entwicklung alternativer Anodenmaterialien mit langer Lebensdauer, hoher reversibler Kapazität und gesteigerter Ratenfähigkeit ist für Alkali-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden Strukturdesign und Materialien auf Kohlenstoffbasis gleichzeitig verwendet, um die spezifische Kapazität und Stabilität zu verbessern. Darüber hinaus ist ein eingehendes Verständnis der Beziehung zwischen den Mechanismen zum Einlagern/Extrahieren von Li+/Na+/K+-Ionen und dem elektrochemischen Verhalten wichtig, um die Leistung von wiederaufladbaren Batterien zu verbessern. Diese Arbeit eröffnet erschließt mechanistische Merkmale von Materialien mit hoher Kapazität, sowie das Zusammenspiel mehrerer Komponenten in Alkali-Ionen-Batterien. Die Wirkung verschiedener Li-Salz Elektrolyte auf Fe-basierte Elektroden, sowie der Einfluss von Kohlenstoffadditiven (Super P und C65) und dem Elektrolytadditiv Fluorethylencarbonat (FEC) auf Sn-basierte Elektroden werden aufgedeckt. Diese Ergebnisse erlauben einen tiefen Einblick in das Verständnis des Alkali-Ionen-Speichermechanismus von Materialien des Umwandlungs-bzw. Legierungstyps. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Kern-Schale-Struktur von hohlen Fe2O3@C Nanokugeln aus metallorganischen Gerüsten als Anodenmaterial für LIBs verwendet. In operandooperando-Beugung von synchrotrons strahlung zeigte, dass sich die Zwischenphasen LixFe2O3 (R3 ̅m, rhombohedral, 0 &lt; x &lt; 1) und LixFe2O3 (Fd3 ̅m, Li-arm, 0 &lt; x &lt; 4) bilden, welche sich in LixFe2O3 (Fd3 ̅m, Li-reich, 1 &lt; x &lt; 5) und anschließend weiter zu metallischem Fe0, Li2O und LixFe2O3 (Fd3 ̅m, X-Phase, 0 &lt; x &lt; 2) umwandeln. Während des Delithiierungsprozesses kehrt das Material nicht zur ursprünglichen Fe2O3-Struktur zurück. Stattdessen verbleibt teilweise delithiiertes Lix-1Fe2O3 (Fd3 ̅m, X-Phase, 1 &lt; x &lt; 2.5) und eine amorphe metallische Fe0-Phase. Der Fe K-Kanten-XAS-Übergang und die Bildung von metallischem Fe0 werden durch in-operando-Röntgenabsorptionsspektroskopie bestätigt. Darüber hinaus wird der Widerstandsbeitrag dieses Materials in zwei verschiedenen Li-Salzen durch elektrochemische Impedanzspektroskopie bewertet, welche abhängig vom Li-Salz unterschiedliche Zusammensetzungen der Festelektrolyt-Interphase zeigen. In der Literatur wurde bereits berichtet, dass Fe1-xS/C-Nanokomposite eine vielversprechende Leistung als Anodenmaterial für LIBs zeigen. Der zugrunde liegende Lithiumspeicherungsmechanismus im ersten Zyklus ist jedoch noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit ermöglicht die Kombination verschiedener in operando Techniken das Aufdecken ausgeprägter elektronischer und struktureller Änderungen auf verschiedenen Längenskalen. Zusätzlich werden kinetische Prozesse, morphologische Veränderungen und die Entwicklung des spezifischen spezifischen Widerstands untersucht. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Phasenabfolge von 〖2Fe〗_(1-x) S+2〖Li〗^++2e^-→〖Li〗_2 〖Fe〗_(1-x) S_2+(1-x)〖Fe〗^0 und 〖Li〗_2 〖Fe〗_(1-x) S_2+2〖Li〗^++2e^-→2〖Li〗_2 S+(1-x) 〖Fe〗^0 während des ersten Lithiierungsprozesses auftritt. Die Redoxreaktion von 〖Fe〗^(2+)+2e^-⇌〖Fe〗^0 wird durch in operando XAS bestätigt. Während des ersten Delithierungsprozesses wandeln sich Fe0 wird durch in operando XAS bestätigt. Während des ersten Delithierungsprozesses wandeln sich Fe0 und Li2S in Li2-yFe1-xS2 um und Li+ und e- werden aus Li2S extrahiert, um Li2-yS zu bilden (0 &lt; y &lt; 2). Die Umwandlung von Li2S zu Li2-yS wurde in früheren Berichten nicht erkannt. Nach dem ersten Delithiierungsprozess werden sind amorphe lithiierte FeS-Nanopartikel in der verbleibenden Li2S-Matrix eingebettet. Schließlich werden wenige in situ erzeugte Schichten poröser SnS2-Nanoblätter auf reduziertem Graphenoxid (SnS2-rGO) als Anodenmaterial für NIBs und KIBs untersucht. Diese Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener leitfähiger Kohlenstoffe (Super P und C65) auf SnS2-rGO-Elektroden für NIBs und KIBs. Außerdem werden die Auswirkungen des Elektrolytadditivs Fluorethylencarbonat (FEC) auf die elektrochemische Leistung von Natrium-Ionen-Batterien und Kalium-Ionen-Batterien untersucht. Darüber hinaus werden der kinetische Prozess und der elektrochemische Widerstand mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie untersucht. Die Kombination der ultradünnen SnS2-Nanokristalle und dem hochleitenden rGO-Netzwerk fördert die Diffusion von Na+/K+-Ionen, stellt mehr Reaktionsstellen bereit, hemmt die Aggregation und toleriert die großvolumige Änderung bei längerem Zyklieren.