Reactivity and Interplay of Critical Components in Sodium-Ion Batteries
Creators: name: Pfeifer, Kristina
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: energy storage
sodium-ion batteries
reactivity
electrochemistry
battery
electrolyte
post-lithium

description: Diese Arbeit beleuchtet den Einfluss entscheidender Komponenten in Natrium-Ionen Batte-rien. Na-Metall wird häufig als Gegen- und/oder Referenzelektrode in der Literatur einge-setzt, um die Eigenschaften eines Aktivmaterials in Na-Ionen Batterien elektrochemisch zu untersuchen. Diese Thesis zeigt, dass Na spontan mit den häufig verwendeten, auf organi-schen Carbonaten basierten Elektrolyten reagiert. Solche Nebenreaktionen zwischen den Na-Gegen- und/oder Referenzelektroden führen zu veränderten Eigenschaften des Elektrolyten und wirken sich negativ auf die Oberflächenchemie der Arbeitselektrode aus. Eine Stabili-sierung des Na-Metalls kann durch Zugabe von Fluorethylencarbonat zu Carbonat-basierten Lösungsmitteln oder durch Ersetzen solcher Lösungsmittel durch Diglyme erfolgen. Der Einfluss dieser Lösungsmittel kann durch elektrochemische Messungen von Sb2O3-basierten Halbzellen bewertet werden. Die Zugabe von Fluorethylencarbonat führt zu einer geeigneten Dicke der Fest-Elektrolyt Interphase und verhindert, dass die Elektrode stark reißt. Diglyme dagegen löst Sb-Ionen während des Zyklierens, was zu Verunreinigungen, einem starken Kapazitätsverlust und einer unregelmäßigen elektrochemischen Signatur führt. Daher ist der Fluorethylencarbonat-haltige Elektrolyt für die Untersuchung von Materialien mit hoher Kapazität wie Sb am besten geeignet. Die Energiespeicherung von Sb durch Legierungsreak-tionen mit Na erfordert ein spezielles Elektrodendesign für eine hohe Leistungsstabilität. In dieser Arbeit wird systematisch der Einfluss der Kohlenstoffeigenschaften auf Sb/C-Verbundelektroden untersucht. Anstelle einer komplexen Hybridisierung von Sb und C wer-den die Komponenten mechanisch gemischt, um stabile Sb/C Elektroden zu erhalten. Dies ist nur unter Berücksichtigung der physikalischen, chemischen und strukturellen Merkmale der Kohlenstoffe möglich. Die beste Leistung wird nicht nur durch die hohe Oberfläche oder den Heteroatomgehalt ausgelöst, sondern insbesondere durch die beste Fähigkeit, sich ho-mogen zwischen den Sb Partikeln zu verteilen. Dies ist am besten für synthetisiertes Sb-Nanopulver mit Hilfe von Kohlenstoffzwiebeln möglich, die bei 1300 °C unter Vakuum her-gestellt werden. Durch Volumenänderungen verursachte Elektrodenrisse werden so verhin-dert und die Homogenität der Fest-Elektrolyt Interphase wird verbessert, was zu einer be-merkenswerten Ratenfähigkeit und einer hohen Zyklenstabilität führt. Um den Einfluss der Sb-Partikelgröße zu untersuchen, wird das synthetisierte Pulver durch kommerzielles Sb ersetzt, das vor der Elektrodenherstellung kugelgemahlen wird. Zusätzlich wird ein Sb/C Komposit aus kommerziellen Materialien durch Kugelmahlen hergestellt. Ein Vergleich aller Sb/C Elektroden zeigt, dass die Partikelgröße von Sb ein wesentlicher Faktor ist: Je kleiner die Partikel, desto höher die Zyklenstabilität und desto weniger Kohlenstoff wird zum Dämpfen von Volumenänderungen benötigt. Eine gründliche Anpassung der Sb- und C-Mengen und ihrer Merkmale ist erforderlich, um das bestmögliche elektrochemische Ver-halten zu erzielen.