Authors:	Oschmann, Bernd
Title:	Coating and hybridization approaches of inorganic materials using polymeric materials to enhance the Li- and Na-Ion battery performance of alternative electrode materials
Online publication date:	29-Jul-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
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. The focus of this work is the development of four approaches aiming an increased electronic conductivity within alternative, novel electrode materials for lithium-ion or lithium based batteries. Alternative electrode materials, such as nanostructured titanium dioxide or sulfur, which can enhance the safety or which can increase the specific capacity compared to current commercially available batteries, are electronically hardly conductive or even electronically isolating. Herein, four approaches were developed in order to increase the possibility for electrons to percolate within the electrode material. Therefore, the first approach deals with the synthesis of block copolymers by RAFT (reversible addition fragmentation chain transfer) polymerization. These polymers consist on the one hand of a graphitizable block and on the other hand of a block, that can bind onto the surface of nanostructured transition metal oxides. Once the polymers are coordinated on the particles surface, the polymer coating can be transformed into a carbonaceous coating on the particle surface by pyrolysis. The materials synthesized by this route were applied as electrode materials in lithium-ion batteries and were characterized by galvansotatic cycling as well as cyclic voltammetry. The results of these characterizations proved the positive influence of the carbon coating with respect to the specific capacity, long term cycling and C-rate capability. As a further approach, two non-thermal approaches were developed. One approach is based on the use of functionlized graphene, which is an electronically conductive, exfoliated monolayer of graphite. This material can be used to wrap inorganic particles. Particles wrapped with graphene were applied as electrode materials and the battery performance of these materials was investigated. It could be shown that the graphene wrapping enhances the battery performance. The other approach is based on the use of a conductive polymer, which is synthesized by Grignard metathesis (GRIM) polymerization and consists of either an anchoring block or anchoring end-group. This polymer could be coordinated onto the surface of an inorganic cathode material and the hybrid material was investigated as an cathode material in lithium-ion batteries. However, the polymer coating could not improve the battery performance of the inorganic particles. Finally, as a fourth approach a copolymer consisting of sulfur and a conductive polymer was synthesized. The copolymer synthesis was achieved by the reaction of a radicalic molten sulfur species with the polythiophene, which is incorporated covalently into the sulfur. This copolymer was applied as a cathode material in a lithium-sulfur battery and showed an enhanced battery performance compared to a simple physical mixture of polythiophene and sulfur (not covalently bond), as the elctric contact is expected to be enhanced by the covalent linkage of sulfur and polymer.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4104
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005981
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VI, 305 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen