Coating and hybridization approaches of inorganic materials using polymeric materials to enhance the Li- and Na-Ion battery performance of alternative electrode materials
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Abstract
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Ansätzen, die elektronische Leitfähigkeit in alternativen, neuartigen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien zu erhöhen. Alternativen Elektrodenmaterialien, wie z.Bsp. nanostrukturiertes Titandioxid oder Schwefel, die eine erhöhte Sicherheit oder eine höhere Kapazitäten im Vergleich zu derzeitigen Lithium-Ionen Batteriesystemen aufweisen, sind zunächst elektronisch schlecht leitend bzw. sogar elektronisch isolierend. Um die Elektronenperkolation innerhalb des Elektrodenmaterials zu gewährleisten, wurden hier vier Ansätze entwickelt. Ein Ansatz beruht auf der Herstellung von Blockcopolymeren über RAFT (reversible addition fragmentation chain transfer) Polymerisation, die einerseits einen graphitisierbaren Block enthalten und andererseits einen Block, der an die Oberfläche nanostrukturierter Übergangsmetalloxide anbindet. Nach Anbindung des Polymers konnte durch thermische Behandlung ein homogener Kohlenstofffilm auf der Oberfläche der Partikel erzeugt werden. Das somit hergestellte Material wurde als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen Batterien durch u.a. galvanostatisches Zyklisieren und Cyclovoltammetrie evaluiert und es konnte gezeigt werden, dass sich der Kohlenstofffilm im Hinblick auf Kapazität und Langzeitzyklisierbarkeit positiv auf die Batterieperformance der untersuchten Materialien auswirkte.
Als alternative zu diesem thermischen Ansatz wurden auch zwei nicht thermische Ansätze gewählt: Einerseits wurde funktionalisiertes Graphen, eine exfoliierte Monolage von Graphit, verwendet, um anorganische Nanopartikel leitfähig zu umhüllen. Mit Graphen umhüllte Partikel wurden ebenfalls Batterietests unterzogen, wobei wiederum die Umhüllung einen positiven Einfluss auf die Batterieergebnisse des Materials aufzeigte.
Andererseits wurde ein Blockcopolymer bzw. endgruppenfunktionalisiertes Polymer bestehend aus einem leitfähigen Polymer, das durch durch Grignard Metathese (GRIM) Polymerisation hergestellt wurde, und bestehend aus Ankerstruktur(en), die wiederum an die Oberfläche anorganischer Materialien anbinden kann, hergestellt. Das so hergestellte Material wurde an ein anorganisches Kathodenmaterial angebunden und das Hybridmaterial in Lithium-Ionen Batterien als Kathodenmaterial untersucht. Hierbei konnte das Polymer jedoch die Batterieperformance des Materials nicht positiv beeinflusse.
Schließlich wurde in einem vierten Ansatz ein Copolymer bestehend aus Schwefel und leitfähigem Polymer hergestellt. Dies gelang durch die Umsetzung von geschmolzenem, radikalischem Schwefel mit einem durch GRIM Polymerisation hergestellten Polythiophen, welches in der Reaktion kovalent an den Schwefel eingebaut wird. Auch dieses Material wurde elektrochemisch als Kathodenmaterial charakterisiert und zeigte eine verbesserte Batterieperformance verglichen mit einem einfachen Gemisch aus Polythiophen und Schwefel, bei dem Schwefel und Polymer nicht kovalent verbunden sind.