Bitte benutzen Sie diese Kennung, um auf die Ressource zu verweisen: http://dx.doi.org/10.18419/opus-9336
Autor(en): Frey, Martin
Titel: Neue Energiespeichermaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien
Erscheinungsdatum: 2017
Dokumentart: Dissertation
Seiten: XI, 211
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/9353
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-93531
http://dx.doi.org/10.18419/opus-9336
Zusammenfassung: Angesichts schwindender Mengen sowie hoher Preise fossiler Energieträger und der damit einhergehenden Umweltbelastung erscheint ein Umstieg auf regenerative Energiequellen unausweichlich. Die stark schwankenden Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie generieren dabei einen starken Bedarf im Bereich der elektrochemischen Energiespeicher. Die Lithium-Schwefel Technologie repräsentiert in diesem Zusammenhang einen vielversprechenden Kandidaten einer neuen Generation leistungsfähiger, sicherer, aber vor allem kosteneffizienter Batterien. Den Idealfall stellt ein zyklenstabiles Energiespeichermaterial mit hoher Kapazität und Energiedichte sowie guter mechanischer Stabilität dar. Vor allem Poly(acrylnitril) (PAN), welches durch eine thermische Umsetzung mit elementarem Schwefel elektrisch leitfähige Schwefel/Polyacrylnitril (SPAN)-Komposite ausbildet, erscheint hier besonders attraktiv.[1] Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden basierend auf Vorarbeiten von Fanous et al.[2],[3],[4] zwei neuartige Energiespeichermaterialien auf Basis von Poly(acrylnitril) sowie ein neuartiger Elektrolyt für Lithium-Schwefel Batterien entwickelt. Durch eine gezielt eingeleitete Phasenseparation während einer kontrolliert radikalischen Copolymerisation von Acrylnitril und einem geeigneten Quervernetzer, konnte in nur einem Syntheseschritt eine Binder freie, hochporöse sowie mechanisch stabile monolithische Trägermatrix auf PAN-Basis dargestellt werden. Die anschließende thermische Umsetzung mit elementarem Schwefel führte zu SPAN-Monolithen. Die final erhaltenen SPAN-Monolithe zeigten einen kovalent gebundenen Schwefelgehalt > 51 Gew.-% bei einer spezifischen Oberfläche > 450 m²/g. Die elektrochemische Charakterisierung zeigte ein analoges elektrochemisches Verhalten, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen.[3] Ebenfalls konnte eine analoge Bindungsnatur des Schwefels innerhalb der SPAN-Monolithe, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen, nachgewiesen werden. Um die elektrochemische Effizienz der SPAN-Monolithe zu optimieren wurden ebenfalls Kohlenstoff-additivierte SPAN-Monolithe hergestellt. Dies gelang durch eine in situ Ausbildung der monolithischen PAN-Trägermatrix in Gegenwart von Graphenoxidpartikeln. Des Weiteren gelang die Darstellung von Metall/PAN-Kompositen durch die in situ Ausbildung der monolithischen PAN-Trägermatrix in einem Nickel-Metallschaum. Durch das breite Anwendungsspektrum von Poly(acrylnitril) wurde ebenfalls die Eignung kommerzieller PAN-Fasern als Energiespeichermaterial untersucht. Hierbei wurden PAN-basierte Fasern in Gegenwart von Schwefel umgesetzt. Dadurch konnten SPAN-Fasern mit einem Schwefelgehalt > 57 Gew.-% sowie einer spezifischen Oberfläche > 30 m2/g erhalten werden. Es konnte ebenfalls eine analoge Bindungsnatur des Schwefels innerhalb der PAN-Faser, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen, nachgewiesen werden. Das erhaltene faserbasierte SPAN-Energiespeichermaterial wurde zu kommerziellen Batterieelektroden verarbeitet. Die erste elektrochemische Charakterisierung zeigte vielversprechende elektrochemische Eigenschaften. Basierend auf den ersten elektrochemischen Befunden, wurde ein Fluor-basierter Elektrolyt für das faserbasierte Energiespeichermaterial entwickelt. Die Kombination aus neuen Elektrolyten und faserbasierten SPAN-Elektroden, zeigte überragende elektrochemische Eigenschaften. Diese sind durch eine hohe Stromratenfähigkeit (0.5C - 8C) sowie hohen spezifischen Entladekapazitäten (> 1200 Ah/kg) und hoher Zyklenfestigkeit (>> 1000 Zyklen), gekennzeichnet. Als Ursache für dieses Verhalten konnte die stäbchenförmige Geometrie der SPAN-Faserfilamente sowie die Porenstruktur identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch den neu entwickelten Elektrolyten gezielt eine stabile und permeable Schutzschicht (SEI) auf der Kathodenoberfläche ausgebildet werden kann, welche als Barriere für mobile Polysulfide fungiert. [1] J. Wang, J. Yang, J. Xie, N. Xu, Advanced Materials 2002, 14, 963-965. [2] J. Fanous, M. Wegner, J. Grimminger, A. Andresen, M. R. Buchmeiser, Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028. [3] J. Fanous, M. Wegner, J. Grimminger, M. Rolff, M. B. M. Spera, M. Tenzer, M. R. Buchmeiser, Journal of Materials Chemistry 2012, 22, 23240-23245. [4] J. Fanous, M. Wegner, M. B. M. Spera, M. R. Buchmeiser, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A1169-A1170.
Enthalten in den Sammlungen:03 Fakultät Chemie

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