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Carbon-Rich SiCN/SiOC Ceramics as Sulfur Cathode Supports in Lithium Sulfur Batteries

Qu, Fangmu (2024)
Carbon-Rich SiCN/SiOC Ceramics as Sulfur Cathode Supports in Lithium Sulfur Batteries.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027490
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

As one of the promising candidates for future energy storage, lithium sulfur batteries have attracted much attention due to their superior energy density and low production cost as compared with that of conventional Li ion batteries. However, the obstacles such as insulated nature, volume expansion and “shuttle effect” significantly hamper the practical commercial application of lithium sulfur batteries. Designing and building novel sulfur cathodes with conductive micro-nanostructure is one of the potential ways to solve the issues of lithium sulfur batteries. C-rich ceramic matrices provide an ideal conductive skeleton for the sulfur host due to their electronic conductivity and robust, stress accommodating mechanical properties. This dissertation presents facile and cost-effective methods for the preparation of C-rich silicon carbonitride (SiCN) ceramics, Silicon oxycarbide (SiOC) ceramics and SiCN-boron nitride (SiCN-BN) composites to be utilized as sulfur host materials for the cathode in lithium sulfur batteries to enhance their electrochemical performance.

First of all, porous C-rich SiCN ceramic matrices were synthesized by crosslinking of silicon-based polymers and subsequent pyrolysis in a temperature range between 1000 ℃ and 1600 ℃ under argon. Through the melting-diffusion technique at 155 ℃, sulfur was successfully embedded in the obtained porous ceramic matrices. After the characterization and performance testing, the impact of the initial porosity and elemental composition of the SiCN ceramics on the electrochemical performance of SiCN-S composites is addressed. It is shown that the material pyrolyzed at 1000 °C reveals a mesoporous character in line with the presence of a free carbon phase dispersed in the SiCN matrix and demonstrates the best electrochemical stability and the highest capacity (more than 310 mAh/g over 40 cycles) at a high sulfur content of 66 wt.%.

To investigate the electrochemical performance of the C-rich SiCN ceramics pyrolyzed at a relatively low temperature window compared with the first work, sulfur-containing C-rich SiCN composites were processed from SiCN ceramics which were synthesized at temperatures between 800 ℃ and 1100 ℃. The obtained results reveal that a combination of the mesoporous character of SiCN and the presence of a disordered free carbon phase makes the electrochemical performance of the SiCN matrix obtained at 900 °C superior to that of SiCN synthesized at lower and higher temperatures. A capacity value of more than 195 mAh/g over 50 cycles at a high sulfur content of 66 wt.% is achieved.

Then, we further studied the electrochemical performance of three distinct sulfur/PDC cathodes. In two of these cathodes, sulfur is incorporated into PDC aerogels based on the SiOC and SiCN systems, utilizing CO2 supercritical drying. In the third cathode, sulfur is confined within a mesoporous SiOC produced through the "polymeric spacer" method. The composite cathodes underwent electrochemical characterization, and their performances were analyzed and correlated with the chemical composition and microstructure of the obtained PDC scaffold.

In order to achieve further enhancement of the electrochemical performance of C-rich SiCN ceramic used as sulfur hosts, boron nitride was confined in the SiCN matrix. The SiCN-BN composites were synthesized via annealing mixtures comprised of C-rich SiCN ceramic powder, boric acid and urea at different temperatures (950 °C, 1100 °C, and 1250 °C). The sample SiCN-BN-950/S especially presents 445 mAh/g of the reversible capacity and 62 % of the capacity retention after 60 cycles under 3.5 ~ 3.8 mg/cm2 of areal density and 66 wt.% of sulfur loading. The excellent cycling stability is attributed to the remarkable synergistic effect of BN and C-rich SiCN ceramic matrix.

The obtained results demonstrate that C-rich SiCN/SiOC ceramics are indeed promising hosts for sulfur as the cathode in lithium sulfur batteries for enhancing their electrochemical performance. Besides, this work also presents facile, cost controllable and efficient synthesis routes for sulfur cathodes in LSB which is suitable for large-scale industrial production, as well as a reference for the utilization of ceramic materials in energy storage systems.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Qu, Fangmu
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Carbon-Rich SiCN/SiOC Ceramics as Sulfur Cathode Supports in Lithium Sulfur Batteries
Sprache: Englisch
Referenten: Riedel, Prof. Dr. Ralf ; Hofmann, Prof. Dr. Jan Philipp
Publikationsjahr: 14 Juni 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 199 Seiten in verschiedenen Zählungen
Datum der mündlichen Prüfung: 8 Mai 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027490
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27490
Kurzbeschreibung (Abstract):

As one of the promising candidates for future energy storage, lithium sulfur batteries have attracted much attention due to their superior energy density and low production cost as compared with that of conventional Li ion batteries. However, the obstacles such as insulated nature, volume expansion and “shuttle effect” significantly hamper the practical commercial application of lithium sulfur batteries. Designing and building novel sulfur cathodes with conductive micro-nanostructure is one of the potential ways to solve the issues of lithium sulfur batteries. C-rich ceramic matrices provide an ideal conductive skeleton for the sulfur host due to their electronic conductivity and robust, stress accommodating mechanical properties. This dissertation presents facile and cost-effective methods for the preparation of C-rich silicon carbonitride (SiCN) ceramics, Silicon oxycarbide (SiOC) ceramics and SiCN-boron nitride (SiCN-BN) composites to be utilized as sulfur host materials for the cathode in lithium sulfur batteries to enhance their electrochemical performance.

First of all, porous C-rich SiCN ceramic matrices were synthesized by crosslinking of silicon-based polymers and subsequent pyrolysis in a temperature range between 1000 ℃ and 1600 ℃ under argon. Through the melting-diffusion technique at 155 ℃, sulfur was successfully embedded in the obtained porous ceramic matrices. After the characterization and performance testing, the impact of the initial porosity and elemental composition of the SiCN ceramics on the electrochemical performance of SiCN-S composites is addressed. It is shown that the material pyrolyzed at 1000 °C reveals a mesoporous character in line with the presence of a free carbon phase dispersed in the SiCN matrix and demonstrates the best electrochemical stability and the highest capacity (more than 310 mAh/g over 40 cycles) at a high sulfur content of 66 wt.%.

To investigate the electrochemical performance of the C-rich SiCN ceramics pyrolyzed at a relatively low temperature window compared with the first work, sulfur-containing C-rich SiCN composites were processed from SiCN ceramics which were synthesized at temperatures between 800 ℃ and 1100 ℃. The obtained results reveal that a combination of the mesoporous character of SiCN and the presence of a disordered free carbon phase makes the electrochemical performance of the SiCN matrix obtained at 900 °C superior to that of SiCN synthesized at lower and higher temperatures. A capacity value of more than 195 mAh/g over 50 cycles at a high sulfur content of 66 wt.% is achieved.

Then, we further studied the electrochemical performance of three distinct sulfur/PDC cathodes. In two of these cathodes, sulfur is incorporated into PDC aerogels based on the SiOC and SiCN systems, utilizing CO2 supercritical drying. In the third cathode, sulfur is confined within a mesoporous SiOC produced through the "polymeric spacer" method. The composite cathodes underwent electrochemical characterization, and their performances were analyzed and correlated with the chemical composition and microstructure of the obtained PDC scaffold.

In order to achieve further enhancement of the electrochemical performance of C-rich SiCN ceramic used as sulfur hosts, boron nitride was confined in the SiCN matrix. The SiCN-BN composites were synthesized via annealing mixtures comprised of C-rich SiCN ceramic powder, boric acid and urea at different temperatures (950 °C, 1100 °C, and 1250 °C). The sample SiCN-BN-950/S especially presents 445 mAh/g of the reversible capacity and 62 % of the capacity retention after 60 cycles under 3.5 ~ 3.8 mg/cm2 of areal density and 66 wt.% of sulfur loading. The excellent cycling stability is attributed to the remarkable synergistic effect of BN and C-rich SiCN ceramic matrix.

The obtained results demonstrate that C-rich SiCN/SiOC ceramics are indeed promising hosts for sulfur as the cathode in lithium sulfur batteries for enhancing their electrochemical performance. Besides, this work also presents facile, cost controllable and efficient synthesis routes for sulfur cathodes in LSB which is suitable for large-scale industrial production, as well as a reference for the utilization of ceramic materials in energy storage systems.

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Als eines der vielversprechenden Kandidaten für die zukünftige Energiespeicherung haben Lithium-Schwefel-Batterien seit ihrer Erfindung aufgrund ihrer überlegenen Energiedichte und niedrigen Produktionskosten viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Hindernisse wie die isolierende Natur, die Volumenausdehnung und der "Shuttle-Effekt" behindern jedoch signifikant die praktische kommerzielle Anwendung von Lithium-Schwefel-Batterien. Das Entwerfen und Bauen eines neuartigen Schwefel-Wirtes mit leitfähiger Mikro-Nanostruktur in der Kathode ist ein potenzieller Weg, um die Probleme der Lithium-Schwefel-Batterien zu lösen. C-reiche keramische Matrices stellen aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit und robusten, belastbaren mechanischen Eigenschaften ideale Skelettmaterialien für den Schwefel-Wirt dar. Diese Dissertation präsentiert einfache und kosteneffektive Methoden zur Herstellung C-reicher SiCN/SiOC-Keramiken und SiCN-BN-Kompositen als Schwefel-Wirtsmaterialien für die Kathode in Lithium-Schwefel-Batterien mit verbesserter elektrochemischer Leistung.

Zunächst wurden poröse C-reiche SiCN-Keramikmatrices durch Vernetzung eines Si-Polymers und anschließende Pyrolyse im Temperaturbereich zwischen 1000 °C und 1600 °C unter Argon synthetisiert. Über eine Schmelz-Diffusions-Technik wurde Schwefel bei 155 °C in die Poren der SiCN-Keramik erfolgreich infiltriert. Nach Charakterisierung und Leistungstest wird der Einfluss der Anfangsporosität und elementaren Zusammensetzung der SiCN-Keramik auf die elektrochemische Leistung der SiCN-S-Komposite diskutiert. Demzufolge, zeigt das bei 1000 °C pyrolysierte Material Mesoporosität auf. Aufgrund der in SiCN dispergierten und in-situ gebildeten freien Kohlenstoffphase, weist das Material die beste elektrochemische Stabilität und die höchste Kapazität (mehr als 310 mAh/g über 40 Zyklen) bei einem hohen Schwefelgehalt von 66 Gew.-% auf.

Als Nächstes untersuchten wir das elektrochemische Verhalten der bei relativ niedrigen Temperaturen pyrolisierten C-reichen SiCN-Keramiken. Hierzu wurden C-reiche SiCN-Komposite bei Temperaturen von 800 ℃ bis 1100 ℃ synthetisiert. Die erhaltenen Ergebnisse der mit Schwefel gefüllten SiCN-Keramiken zeigen, dass eine Kombination aus mesoporösem SiCN und einer darin dispergierten freien Kohlenstoffphase die elektrochemische Leistung signifikant erhöht. Auf diese Weise ist eine bei 900 °C erhaltene SiCN-Matrix überlegen gegenüber SiCN, das bei niedrigeren und höheren Temperaturen synthetisiert wurde. Die bei 900 °C synthetisierte SiCN Kathode erreicht einen Kapazitätswert von mehr als 195 mAh/g über 50 Zyklen bei einem hohen Schwefelgehalt von 66 Gew.-%. Anschließend untersuchten wir die elektrochemische Leistung von drei verschiedenen Schwefel/PDC-Kathoden weiter. In zwei dieser Kathoden wird Schwefel in PDC-abgeleitete SiOC- und SiCN-Aerogele infiltriert, die durch überkritische CO2-Trocknung hergestellt wurden. In der dritten Kathode ist Schwefel in mesoporösem SiOC eingeschlossen, das durch eine „Polymer-Spacer“-Methode erzeugt wurde. Die Verbundkathoden wurden einer elektrochemischen Charakterisierung unterzogen und ihre Leistungen wurden analysiert und mit der chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur des PDC-Gerüsts korreliert.

Zusätzlich wurden zur weiteren Verbesserung der elektrochemischen Performanz poröse, C-reiche SiCN-BN Verbundkeramiken synthetisiert. Hierzu wurden Mischungen aus porösem SiCN-Pulver, Borsäure und Urea bei verschiedenen Temperaturen (950 °C, 1100 °C und 1250 °C) erhitzt. Die auf diese Weise bei 950 °C hergestellte Probe SiCN-BN-950/S zeigt eine reversible Kapazität von 445 mAh/g und 62% der Kapazitätserhaltung nach 60 Zyklen unter 3,78 g/cm2 der flächenbezogenen Dichte und 66 Gew.-% des Schwefelaufladens. Die hervorragende Zyklusstabilität wird dem synergistischen Effekt von BN und C-reicher SiCN-Keramikmatrix zugeschrieben.

Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass C-reiche SiCN/SiOC-Keramiken vielversprechende Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien mit verbesserter elektrochemischer Leistungdarstellen. Vorliegende Arbeit beschreibt kostenkontrollierte und effiziente Synthesewege für die Bereitstellung geeigneter Kathodenmaterialien in Lithium-Schwefel-Batterien, die für eine großtechnische industrielle Produktion geeignet sind und die eine Referenz für die Verwendung von Keramikmaterialien in Energiespeichersystemen darstellen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-274900
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Disperse Feststoffe
Hinterlegungsdatum: 14 Jun 2024 12:06
Letzte Änderung: 17 Jun 2024 04:59
PPN:
Referenten: Riedel, Prof. Dr. Ralf ; Hofmann, Prof. Dr. Jan Philipp
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 8 Mai 2024
Export:
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