Elektrochemische und spektroskopische Untersuchung von Aktivmaterialien für die Anwendung in Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien

Abstract

Eine der größten Herausforderungen für den nachhaltigen technologischen Fortschritt der nächsten Jahre ist die Nutzung und Speicherung erneuerbarer Energien. Hierbei spielen sowohl die Weiterentwicklung portabler als auch stationärer Speichertechnologien eine entscheidende Rolle. In Hinblick auf die Anwendung in mobilen Endgeräten und die Entwicklung der Elektromobilität steht die Lithium-Ionen-Batterie in besonderem Fokus. Durch die erhöhte Nachfrage sind der Lithiumpreis und der Preis der anderen in Elektroden eingesetzten Elemente in den letzten Jahren stark angestiegen. Eine bisher weniger erforschte, kosten-günstigere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien stellen Natrium-Ionen-Batterien dar. Durch ihre vergleichsweise geringere Leistung und eine im Vergleich zu Lithium herabgesetzte Energiedichte eignet sich diese Technologie insbesondere zur Anwendung als stationärer Energiespeicher. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit sowohl Aktivmaterialien für die Anwendung in Lithium- als auch in Natrium-Ionen-Batterien untersucht. Hierbei wurden unter anderem Zyklovoltammetrie, Impedanzspektroskopie und verschiedene Methoden der NMR-Spektroskopie verwendet.

Für die Weiterentwicklung des Anodenmaterials Graphit wurde eine von dem Arbeitskreis Professor Binnewies der Leibniz Universität Hannover entwickelte Synthesemethode für Kupfermodifikation auf einen natürlichen (flake) und auf einen synthetischen Kugelgraphit angewendet. Hierbei konnte eine Verbesserung von Lebensdauer, Kapazität und Leistung des Materials erzielt werden. Mithilfe elektrochemischer und spektroskopischer Methoden konnten die Wirkmechanismen hinter diesen Phänomenen aufgeklärt werden.

Des Weiteren wurde die Machbarkeit für den Einsatz von metal-organic frameworks (MOFs) als Elektrodenmaterialien in Natrium-Ionen-Batterien gezeigt. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine elektrochemische Reaktion der organischen Linker-Moleküle zu einer teilreversiblen Einlagerung von Natrium führt. Dies bildet eine vielversprechende Grundlage für die weitere Forschung an MOFs zur Anwendung in Natrium-Ionen-Batterien.

Für die Charakterisierung zur Tauglichkeit von Na2Ti6O13 als Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien konnte eine gute Reversibilität der Reaktion als Natriumionen-Elektrode gezeigt werden. Der Vergleich mit einem mit Kupfer modifizierten Material zeigte in der Zyklovoltammetrie deutlich andere Einflüsse als sie für Graphitanoden in Lithium-Ionen-Batterien nachgewiesen wurden. Mittels 23Na-MAS NMR konnte eine mögliche Position des zusätzlich eingelagerten Natriums bestimmt werden.