Electrospun fibres as efficient cathodes for metal-air batteries

  • Elektrogesponnene Fasern als effiziente Kathoden für Metall-Luft-Batterien

Gehring, Markus; Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor); Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird der Einsatz von elektrogesponnenen Kohlenstofffasern aus Polyacrylnitril als Elektroden in wässrig-alkalischen Metall-Luft Batterien untersucht. Drei Hauptziele werden dabei verfolgt: Ein vertieftes Verständnis der Struktureigenschaften der Fasern sowie ihrer Veränderung während der Karbonisierung und die Etablierung einer Aktivitätsevaluierungsmethode unter anwendungsnahen Bedingungen. Schließlich werden die Struktureigenschaften mit der Aktivität korreliert. Nach einer Kurzübersicht über aktuelle Herausforderungen im Bereich der Energiespeicherung, wird die Geschichte und das Funktionsprinzip wässrig-alkalischer Metall-Luft Batteriesysteme zusammengefasst. Die Hauptreaktionen an der Luftelektrode, die Sauerstoffreduktion und --entwicklung werden mit Fokus auf die Katalyse dieser kinetisch anspruchsvollen Reaktionen mit derzeit diskutierten Stickstoff-dotierten und mit Übergangsmetallen co-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren betrachtet. Polyacrylnitril ist wegen seines Stickstoffgehalts sowie Karbonisierverhaltens ein gängiges Ausgangsmaterial. Dieses wurde durch die Zugabe von Cobalt und Nickel, vielversprechenden Sauerstoffelektrokatalysatoren, modifiziert. Zur Materialanalyse wurden u. a. Raman-Spektroskopie, XPS, XRD und der lineare Spannungsdurchlauf eingesetzt. Die Struktur und Zusammensetzung der Kohlenstofffasern aus Polyacrylnitril wurde in einem breiten Karbonisierungstemperaturfenster analysiert. Der Stickstoffgehalt wird im Bereich von 600 °C bis 1000 °C mehr als halbiert. Dabei wird der Stickstoff von pyridinischem zu graphitischem Stickstoff umgewandelt. Diese Veränderung beeinflusst auch die elektrochemische Aktivität des Materials, insbesondere die Grenzströme und Überpotentiale der Sauerstoffreduktion. Das globale Maximum der Aktivität zeigten Proben, welche bei 800 °C karbonisiert wurden. In Anwesenheit von Cobalt und Nickel entsteht turbostratischer Kohlenstoff und die Entstickung verschiebt sich zu niedrigeren Temperaturen. Die Stickstoffeinbindung ist ebenfalls verändert, wobei die Metalle einen höheren Gehalt pyridinischen Stickstoffs zur Folge haben. Diese Änderungen beeinflussen die Aktivität der Sauerstoffreduktionsgrenzströme und --überpotentiale. Nickel beeinflusst zwar die Morphologie stärker, aber Cobalt hat den stärkeren Einfluss auf die elektrochemische Aktivität. Keines der Metalle erhöht signifikant die Sauerstoffevolutionsaktivität. Das präsentierte Material erweist sich als brauchbare Luftelektrode und die eingeführten Parameter zur Leistungsbeschreibung erlauben eine hinreichende Korrelation der Strukturdaten und der elektrochemischen Aktivität. Allerdings besteht der Bedarf an einer weiteren Verbesserung der Leistungen auf ein wettbewerbsfähiges Niveau.

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