Modifizierte Kohlenstoffoberflächen als Elektrokatalysatoren für Lithium-Sauerstoff-Batterien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden der Einfluss verschiedener Kohlenstoffoberflächen sowie deren Wechselwirkung mit verschiedenen Elektrolyten auf die Sauerstoffreduktion und –oxidation in aprotischen Lithium-Sauerstoff-Batteriesystemen eingehender untersucht. Untersuchungen an verschieden Kohlenstoffmodellelektroden zeigten, dass sich stark graphitische Kohlenstoffstrukturen eher nachteilig auswirken, da es hier verstärkt zu Nebenreaktionen kommt. Sauerstoffgruppen durch Oxidation entweder an Luft oder durch eine spezielle Behandlung mit Borax führten zu einer deutlichen Verbesserung der elektrokatalytischen Eigenschaften. Die Morphologie des abgeschiedenen Reaktionsproduktes (Li2O2) zeigte deutliche Abhängigkeit von der Anzahl an Sauerstoffgruppen auf der Elektrodenoberfläche. So bildeten sich bei geringen Menge an Sauerstoffgruppen eher kleine plättchenförmige Abscheidungen aus Lithiumperoxid mit Wuchsrichtung senkrecht zur Oberfläche, die nur eine sehr geringe Kontaktfläche mit der Elektrode aufwiesen. Durch eine spezielle Boraxbehandlung konnte der Anteil von oxydischen Gruppen an der Kohlenstoffoberfläche deutlich erhöht werden, dadurch kam es zu größeren Abscheidungen und einem Übergang des plättchenförmigen Wachstums von senkrecht zu parallel zur Oberfläche. In beiden Fällen wuchsen die Kristallite jedoch weitgehend vereinzelt auf der Oberfläche ohne eine geschlossene Schicht auszubilden. Die gegen Ende des Entladevorgangs fast vollständig zum Erliegen kommende Sauerstoffreduktion, kann daher nicht wie allgemein angenommen durch eine Blockade der Sauerstoffdiffusion zur Elektrodenoberfläche bzw. durch Unterbindung des Elektronentransfers durch die aufwachsende Lithiumperoxidschicht erklärt werden. Vielmehr scheinen für die zum Erliegen kommende Sauerstoffreduktion Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten bzw. der Kohlenstoffoberfläche selbst verantwortlich zu sein, die zur Ausbildung einer dünnen geschlossenen Passivschicht führt. Eine Unterbindung dieser Nebenreaktionen könnte daher zu einer deutlichen Kapazitätssteigerung führen, da sich deutlich dickere Li2O2 Reaktionsschichten abscheiden ließen. Durch gezielte Funktionalisierung der Kohlenstoffoberflächen mittels Diazoniumchemie mit verschiedenen Sauerstoffgruppen, konnte gezeigt werden, dass der positive Effekt von Sauerstoffgruppen im Wesentlichen auf alkoholische (-OH) Gruppen zurückzuführen ist. Zwar konnte auch für andere Sauerstoffgruppen im ersten Zyklus ein positiver Effekt beobachtet werden, eine rasche Abnahme der elektrochemischen Aktivität in Folgezyklen weist jedoch darauf hin, dass diese Gruppen unter den Bedingungen in einer Lithium-Sauerstoff-Batterie nicht stabil sind. Hiermit leistet die Arbeit einen wesentlichen Beitrag zum besseren Verständnis der komplexen elektrochemischen Vorgänge an kohlenstoffbasierten Elektroden in aprotischen Lithium-Sauerstoff-Batteriesystemen.
