Surface-modified microstructured carbon electrodes for lithium-oxygen batteries

  • Oberflächenmodifizierte mikrostrukturierte Kohlenstoffelektroden für Lithium-Sauerstoff-Batterien

Wunderlich, Philipp; Simon, Ulrich (Thesis advisor); Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Die wiederaufladbare Lithium-Sauerstoff-Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der auf der reversiblen Konversion von Lithiummetall in -oxide basiert. Im Gegensatz zur heute dominierenden Lithium-Ionen-Zellchemie, die auf Interkalation basiert, beruhen Li-O$_{2}$-Batterien auf der Abscheidung von festen Entladungsprodukten in einer porösen Gasdiffusionselektrode. Theoretisch ermöglicht dies Hochenergie-Batterien auf Basis kostengünstiger Materialien, steht aber praktisch vor grundlegenden Herausforderungen wie der Selbstpassivierung durch die Entladungsprodukte oder der elektrochemischen Instabilität der Zellkomponenten. Dadurch bedingt ist die Entladungskapazität der Li-O$_{2}$-Batterie begrenzt und ihre Wiederaufladbarkeit eingeschränkt. Gezielte Kathodenentwicklung kann diesen Problemen entgegenwirken. Diese experimentelle Arbeit widmet sich dem Design von Gasdiffusionselektroden in zwei Schritten. Zuerst wurden drei unterschiedliche mikrostrukturierte Elektroden aus Graphitnanoplättchen (GNS) als Kohlenstoffbasismaterial hergestellt. Deren elektrochemische Charakterisierung erfolgte mittels Batterietests und Impedanzspektroskopie, während Entladungsprodukte mit post mortem Elektronenmikroskopie und Raman-Spektroskopie analysiert wurden. Die Auswirkungen der Mikrostruktur wurden anhand von Leistungsmerkmalen wie der Entladungskapazität und der maximalen Stromdichte diskutiert. Hochporöse GNS-Elektroden mit Polymerschaumsubstrat konnten sich in Li-O$_{2}$-Zelltests gegenüber trockengepressten GNS-Scheiben durchsetzen. Unter Berücksichtigung elektrolytischer Effekte, wurde eine dispersionsbasierte Elektrode entwickelt, die auch ohne starre Porenstruktur unerwartet gut in Batterien funktioniert. Es wurde entdeckt, dass Graphit im Bereich der Tiefenentladung unter elektrochemisch bedingter Exfoliation leidet, was einerseits die Zyklisierbarkeit der Batterien verhindert, andererseits aber überragende Kapazitäten ermöglicht. Im zweiten Schritt wurden Edelmetallbeschichtungen auf die Kohlenstoffoberfläche aufgebracht, um diese vor Zersetzung zu schützen und gleichzeitig von elektrokatalytischen Effekten zu profitieren. Eine Vollummantelung von Graphitpartikeln konnte nicht realisiert werden, und Beschichtungen aus Au, Ag, Pt oder Pd hatten nur einen insignifikanten Einfluss auf die betrachteten Leistungsmerkmale. Lokale Untersuchungen der auf Metalloberflächen gewachsenen Entladungsprodukte zeigten, dass die Modifizierungen die Kapazität effektiv sogar verringern, indem sie einen oberflächenvermittelten Entladungsmechanismus elektrokatalytisch fördern. Die Forschungsergebnisse stellen die Notwendigkeit von Festkörperkatalysatoren für Li-O$_{2}$-Batterien infrage und bestätigen, dass Kohlenstoff das Material der Wahl für Gasdiffusionselektroden ist und bleibt.

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