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Synthese und Charakterisierung von Lithium-Übergangsmetall-Phosphat/Kohlenstoff-Komposit-Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Nguyen, Thi Thanh Dung (2016)
Synthese und Charakterisierung von Lithium-Übergangsmetall-Phosphat/Kohlenstoff-Komposit-Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Eine große Herausforderung für Lithium-Ionen-Batterien ist die Entwicklung von Hochvolt-Kathodenmaterialien. Lithium-Mangan-Phosphat Olivin ist ein vielversprechender Kandidat, weil dieses Material eine hohe Energiedichte, eine hohe spezifische Energie, eine hohe thermische Stabilität und eine hohe Sicherheit aufweisen kann. Weiterhin ist Mangan kostengünstig und umweltfreundlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Präparation von Lithium-Mangan-Phosphat für Lithium-Ionen-Batterien. Zur Herstellung der Kathodenmaterialien wurden die Sol-Gel- und die Pechini-Methode verwendet. Für jede Methode (Sol-Gel und Pechini) wurde eine Vielzahl verschiedener Syntheseparameter (Konzentration und Temperatur) untersucht, um Lithium-Mangan-Phosphat herzustellen. Durch die Variation dieser Parameter lässt sich Lithium-Mangan-Phosphat mit gezielter Morphologie herstellen. Wegen der geringen elektrischen Leitfähigkeit zeigt dieses Material in Batterien eine niedrige Kapazität. Zur Verbesserung der elektrochemischen Performance wurden C-Trägermaterialien (CNTs bzw. CNFs) mit Lithium-Mangan-Phosphat-Aktivmaterialien beschichtet. Anschließend erfolgte die physikalische Charakterisierung der präparierten Kathodenmaterialien mittels Simultaner Thermischer Analyse, Röntgendiffraktommetrie, Rasterelektronenmikroskopie, IR-, Raman-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Darüber hinaus wurden als elektrochemische Methoden zyklische Voltammetrie, galvanostatische Messungen sowie elektrische Impedanzspektroskopie eingesetzt. Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) und Kohlenstoff-Nanofaser (CNF) als Trägermaterialien zeigt eine Verbesserung der Batterieperformance bezüglich der spezifischen Kapazität. Für LiMnPO4/CNF- bzw. LiMnPO4/CNT-Komposite konnte ein deutlicher Einfluss des CNTs- bzw. CNFs-Anteils auf die elektrochemischen Eigenschaften gezeigt werden. Anschließend wurde die Stabilität der in dieser Arbeit verwendeten Elektrolyte während des Zyklierens in verschiedenen Spannungsbereichen untersucht. Ergänzende Untersuchungen der anderen LiMPO4-Olivine (M = Fe, Co und Ni) erfolgten in den nächsten Teilen dieser Arbeit. Diese Untersuchungen ergeben Kenntnisse über die strukturelle Morphologie sowie die elektrochemischen Reaktionen während der Zyklierung. Im Anschluss wurden weitere Strategien zur Entwicklung verbesserter Kathodenmaterialien demonstriert. Durch die Substitution des Mangans mit anderen Übergangsmetallen wurde die kinetische Hemmung des Mn3+/Mn2+-Schrittes verringert. Ziel der Substitution ist es, neue Komposit-Kathodenmaterialien mit homogener Verteilung des aktiven Materials zu entwickeln, die eine verbesserte elektrochemische Performance aufweisen. Bei LiMn1-xFexPO4/CNT-, LiMn1-xCoxPO4/CNF- und Li1-x-yFexCoyPO4/CNF-Kompositen zeigt sich eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und somit der spezifischen Kapazität der Lithium-Ionen-Batterien. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern zusätzlich Informationen über die aussichtreichsten Komposit-Kathodenmaterialien für zukünftige Anwendungen im Hochvoltbereich.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2016
Autor(en): Nguyen, Thi Thanh Dung
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Synthese und Charakterisierung von Lithium-Übergangsmetall-Phosphat/Kohlenstoff-Komposit-Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien
Sprache: Deutsch
Referenten: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram
Publikationsjahr: 2016
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 22 Dezember 2015
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5251
Kurzbeschreibung (Abstract):

Eine große Herausforderung für Lithium-Ionen-Batterien ist die Entwicklung von Hochvolt-Kathodenmaterialien. Lithium-Mangan-Phosphat Olivin ist ein vielversprechender Kandidat, weil dieses Material eine hohe Energiedichte, eine hohe spezifische Energie, eine hohe thermische Stabilität und eine hohe Sicherheit aufweisen kann. Weiterhin ist Mangan kostengünstig und umweltfreundlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Präparation von Lithium-Mangan-Phosphat für Lithium-Ionen-Batterien. Zur Herstellung der Kathodenmaterialien wurden die Sol-Gel- und die Pechini-Methode verwendet. Für jede Methode (Sol-Gel und Pechini) wurde eine Vielzahl verschiedener Syntheseparameter (Konzentration und Temperatur) untersucht, um Lithium-Mangan-Phosphat herzustellen. Durch die Variation dieser Parameter lässt sich Lithium-Mangan-Phosphat mit gezielter Morphologie herstellen. Wegen der geringen elektrischen Leitfähigkeit zeigt dieses Material in Batterien eine niedrige Kapazität. Zur Verbesserung der elektrochemischen Performance wurden C-Trägermaterialien (CNTs bzw. CNFs) mit Lithium-Mangan-Phosphat-Aktivmaterialien beschichtet. Anschließend erfolgte die physikalische Charakterisierung der präparierten Kathodenmaterialien mittels Simultaner Thermischer Analyse, Röntgendiffraktommetrie, Rasterelektronenmikroskopie, IR-, Raman-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Darüber hinaus wurden als elektrochemische Methoden zyklische Voltammetrie, galvanostatische Messungen sowie elektrische Impedanzspektroskopie eingesetzt. Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) und Kohlenstoff-Nanofaser (CNF) als Trägermaterialien zeigt eine Verbesserung der Batterieperformance bezüglich der spezifischen Kapazität. Für LiMnPO4/CNF- bzw. LiMnPO4/CNT-Komposite konnte ein deutlicher Einfluss des CNTs- bzw. CNFs-Anteils auf die elektrochemischen Eigenschaften gezeigt werden. Anschließend wurde die Stabilität der in dieser Arbeit verwendeten Elektrolyte während des Zyklierens in verschiedenen Spannungsbereichen untersucht. Ergänzende Untersuchungen der anderen LiMPO4-Olivine (M = Fe, Co und Ni) erfolgten in den nächsten Teilen dieser Arbeit. Diese Untersuchungen ergeben Kenntnisse über die strukturelle Morphologie sowie die elektrochemischen Reaktionen während der Zyklierung. Im Anschluss wurden weitere Strategien zur Entwicklung verbesserter Kathodenmaterialien demonstriert. Durch die Substitution des Mangans mit anderen Übergangsmetallen wurde die kinetische Hemmung des Mn3+/Mn2+-Schrittes verringert. Ziel der Substitution ist es, neue Komposit-Kathodenmaterialien mit homogener Verteilung des aktiven Materials zu entwickeln, die eine verbesserte elektrochemische Performance aufweisen. Bei LiMn1-xFexPO4/CNT-, LiMn1-xCoxPO4/CNF- und Li1-x-yFexCoyPO4/CNF-Kompositen zeigt sich eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und somit der spezifischen Kapazität der Lithium-Ionen-Batterien. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern zusätzlich Informationen über die aussichtreichsten Komposit-Kathodenmaterialien für zukünftige Anwendungen im Hochvoltbereich.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
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One of the big challenges for improving the performance of lithium ion batteries to meet increasingly demanding requirements for energy storage is the development of high-voltage cathode materials. Of particular interest is the olivine-structured Lithium manganese phosphate cathode material, which offers a high theoretical specific capacity, a high energy density, a high thermal stability, combined with low cost, low toxicity and high safety.

This work describes the preparation of lithium manganese phosphate by different routes, including sol-gel-, and pechini-method. The effect of synthesis method, concentration and sintering temperature on the structural morphology of cathode materials was investigated that aiming of a desired morphology (less agglomeration. small particle size and homogeneous particle size distribution). Due to the low electronic and ionic conductivities of LiMnPO4, the decrease of particle size is necessary to achieve a higher electrochemical performance. Therefore, we demonstrate new approaches for preparing high performance LiMnPO4 electrodes. The most promising of these involves coating carbon (carbon nano tubes, carbon nano fibres) with LiMnPO4 particles, to yield nanocomposites LiMnPO4/C. Furthermore, the structural morphology of synthesized cathode materials was characterized using simultaneous thermal analysis, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. Additionally, the electrochemical behavior of these materials in non-aqueous liquid electrolytes has been investigated by cyclic voltammetry, galvanostatic cycling with potential limitation and impedance spectroscopy. Compared to carbon free LiMnPO4, Lithium manganese phosphate coated onto CNTs (CNFs) shows better morphology and improved rate performance. The amount of carbon (CNTs and CNFs) has a significant influence on the morphology and the specific capacity. Therefore, an optimized amount of carbon greatly improves electrochemical performance.

Further investigations of LiMPO4 (M = Fe, Co and Ni) olivins have been performed in the next steps. The structural analysis and electrochemical characterization of these systems provide a better understanding of the electrochemical reaction involved during cycling. In addition to these results, a new strategy to achieve high rate materials was demonstrated, which is based on the partial substitution of manganese with transition metals (M = Fe, Co and Ni). The LiMn1-xFexPO4/CNT, LiMn1-xCoxPO4/CNF, Li1-x-yFexCoyPO4/CNF composites show better electrochemical properties than carbon free LiMnPO4. These results give valuable information about the most promising candidates for use as cathode materials in lithium ion batteries.

Englisch
Freie Schlagworte: Lithium-Ionen-Batterien, Kathodenmaterialien, Hochvolt-Batterien, Olivine, Zyklovoltammetrie
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
lithium ioon batteries, cathode materials, high-voltage batteries, olivins, cyclic voltammetryDeutsch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52518
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Oberflächenforschung
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
Hinterlegungsdatum: 07 Feb 2016 20:55
Letzte Änderung: 07 Feb 2016 20:55
PPN:
Referenten: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 22 Dezember 2015
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
lithium ioon batteries, cathode materials, high-voltage batteries, olivins, cyclic voltammetryDeutsch
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