Untersuchung neuer Anodenmaterialien für Lithium Ionen Batterien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt hatte den Einsatz von Titandioxid Nanoröhren als Anodenmaterial für die Speicherung von Lithium Ionen zum Thema. Die Lade- und Entlade-Charakteristika dieser Anoden sollte elektrochemisch analysiert werden. Die Bildung einer fest/flüssig Grenzfläche (Solid-Electrolyte-Interface (SEI)), die kristallographische Struktur, die Chemie der Oberfläche und das Oberflächenpotential während der Einlagerung von Lithium wurde mittels einer Kombination mehrerer komplementärer Analysemethoden und Elektrochemie untersucht. Es wurde angestrebt, ein atomares Verständnis des Ladunstransferprozesses zu erlangen, der während der Interkalation und der Deinterkalation stattfindet. Mit Hilfe dieses Verständnisses sollten neue Anoden aus TiO2 synthetisiert werden, die eine verbesserte Arbeitsleistung aufweisen als herkömmliche Graphit Materialien. Es konnte gezeigt werden, dass die kristalligraphische Struktur und die Oberflächenchemie der TiO2 Nanoröhren maßgeblichen Einfluss auf die Lithiierungsreaktion haben. Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie in Kombination mit Oberflächenanalytik war es möglich, die elektrischen Eigenschaften der Anoden während der Lithiierung und der Delithiierung zu untersuchen. Für verschiedene Anatas und amorphe TiO2-basierte nanostrukturierte Anoden Arrays wurden sowohl die Bulkeigenschaften als auch die Oberflächenchemie während der Lithiierung untersucht. Dabei konnten wichtige Korrelationen zwischen diesen Eigenschaften und dem Verhalten der Elektroden während der Li Interkalation und Deinterkalation festgestellt werden. Diese Studien sind von sehr großer Bedeutung, da sie ‚operando‘, also während der elektrochemische Reaktionen erfolgen konnten. Die gewonnenen Erkenntnisse haben einschlägige Bedeutung für die Anwendung der Materialien im Bereich der Energiespeicherung, insbesondere als Anoden in Li Ionen Batterien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Silicon on Conductive Self-Organized Tio2 Nanotubes a High Capacity Anode Material for Li-Ion Batteries, J. Power Sources 258 (2014) 129
J. Brumbarov, J. Kunze-Liebhäuser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.02.049) - Gisaxs and Tof-Gisans Studies on Surface and Depth Morphology of Self-Organized Tio2 Nanotube Arrays: Model Anode Material In Li-Ion Batteries, J. Appl. Cryst. 48 (2015) 444
N. Paul, J. Brumbarov, A. Paul, Y. Chen, J.-F. Moulin, P. Müller-Buschbaum, J. Kunze-Liebhäuser, and Ralph Gilles
(Siehe online unter https://doi.org/10.1107/S1600576715002204) - Oxygen Deficient, Carbon Coated Self-Organized Tio2 Nanotubes as Anode Material for Li-Ion Intercalation, J. Mater. Chem A 3 (2015) 16469
J. Brumbarov, J. P. Vivek, S. Leonardi, C. Valero-Vidal, E. Portenkirchner, and J. Kunze-Liebhäuser
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1039/C5TA03621F) - Optimized Design Principles for Silicon-Coated Nanostructured Electrode Materials and Their Application in High-Capacity Lithium-Ion Batteries, Energy Technol. 5 (2017) 2253
A. Auer, N.S. Willem Jonasson, D. Hazar Apaydin, A.I. Mardare, G. Neri, J. Lichtinger, R. Gernhäuser, J. Kunze-Liebhäuser, and Engelbert Portenkirchner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ente.201700306) - Preferentially Oriented Tio2 Nanotubes as Anode Material for Li-Ion Batteries: Insight Into Li-Ion Storage and Lithiation Kinetics, ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (2017) 36828
A. Auer, E. Portenkirchner, T. Götsch, C. Valero-Vidal, S. Penner, and J. Kunze-Liebhäuser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsami.7b11388) - Tracking Areal Lithium Densities from Neutron Activation – Quantitative Li Determination in Self-Organized Tio2 Nanotube Anode Materials for Li-Ion Batteries, Phys. Chem. Chem. Phys. 19 (2017) 8602
E. Portenkirchner, G. Neri, J. Lichtinger, J. Brumbarov, C. Rüdiger, R. Gernhäuser, and J. Kunze-Liebhäuser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c7cp00180k) - Nonequilibrium Phase Transitions in Amorphous and Anatase Tio2 Nanotubes, ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1 (5), pp 1924–1929
A. Auer, D. Steiner, E. Portenkirchner, and J. Kunze-Liebhäuser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsaem.7b00319) - The Role of Surface Films During Lithiation of Amorphous And Anatase Tio2 Nanotubes, J. Electroanal. Chem. 812 (2018) 166
D. Steiner, A. Auer, E. Portenkirchner, J. Kunze-Liebhäuser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2017.11.035)
