Tin-nanoparticle as anode material in lithium-ion batteries - Influence of morphological and surface properties on the electrochemical performance

• Applicants: Professorin Dr. Joanna Kolny-Olesiak, since 1/2019; Professor Dr. Martin Winter
• Subject Area: Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis ; Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 280592434

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden neuartige nanostrukturierte Zinn (Sn)-Partikel mit gezielten Oberflächeneigenschaften hergestellt und als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Zellen untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung von Struktur-Eigenschafts- Beziehungen der morphologischen und Oberflächeneigenschaften der Sn-Nanopartikel auf die elektrochemische Performanz. Unterschiedliche Synthesestrategien wurden dazu systematisch und umfassend verfolgt: (I) Sn-Nanopartikelsynthese und Ligandenaustausch, (II) Synthese von Sn-M-Legierungspartikeln (Nanomaterialien), (III) MxSny/Sn (M=Ni, Co)-Verbindungen mittels eines Hochenergie-Kugelmühlverfahrens und (IV) Synthese von Sn-M-P-Nanopartikeln. Die hergestellten Materialien wurden mittels diverser analytischer Methoden bzgl. ihrer strukturellen und morphologischen Eigenschaften charakterisiert. Zudem wurden vielversprechende Materialien zu Kompositelektroden verarbeitet und bzgl. ihrer grundlegenden elektrochemischen Eigenschaften (Kapazitäten, Coulomb-Effizienz, Langzeitstabilität, etc.) evaluiert. Die aus den elektrochemischen Daten gewonnenen Erkenntnisse wurden wiederum genutzt, um die Materialien weiter zu optimieren. Beispielsweise konnte gezeigt werden, dass die elektrochemische Performanz von Sn-Nanomaterialien durch eine gezielte Oberflächenmodifikation (Ligandenaustausch) verbessert werden kann. Oberflächengruppen wie Hydroxidgruppen zeigten dabei eine positive Wechselwirkung mit dem Bindermaterial, was wiederum in einer erhöhten Stabilität (Kapazitätserhaltung) resultierte. Die Herstellung von Legierungspartikeln des Typs Sn-M bzw. Sn-M-P kann ebenfalls als sehr vielversprechend eingestuft werden, da durch das Einfügen der inaktiven MxSny-Phasen eine „Pufferwirkung“, also ein Abfedern der Volumenausdehnung erreicht werden kann. Dieser Effekt wirkt sich äußerst positiv auf die Kapazitätserhaltung aus. Die hergestellten Materialien konnten zudem ausführlich mittels diverser post mortem bzw. in situ Methoden untersucht werden und Rückschlüsse auf die Performanz/Materialeigenschaften geben. Z.B. konnte mittels in situ elektrochemischer Dilatometrie die positive Wirkung der inaktiven Legierungsphasen durch eine reduzierte Höhenänderung der Kompositelektroden nachgewiesen werden. Eine große Herausforderung für zukünftige Vorhaben liegt in der Aufskalierung der Synthesemethoden und somit auf der Übertragbarkeit der gewählten Prozesse und Modifikationen. Zudem sollten die hergestellten Materialien, damit sie eine hohe praktische Relevanz besitzen, ebenfalls bzgl. einer hohen Schüttdichte und einer hohen Elektrodenschichtdicke (hohe Kapazität pro Elektrodenfläche) evaluiert werden.

Publications

• Detailed Characterization of the Surface and Growth Mechanism of Monodisperse Ni3Sn4 Nanoparticles. ACS Omega 2018, 3 (12), 16924–16933
  Düttmann, A.; Gutsche, C.; Knipper, M.; Parisi, J.; Kolny-Olesiak, J.
  
• Converting Bimetallic M (M = Ni, Co, or Fe)–Sn Nanoparticles into Phosphides: A General Strategy for the Synthesis of Ternary Metal Phosphide Nanocrystals. Nanoscale Adv. 2019, 1 (7), 2663–2673
  Düttmann, A.; Bottke, P.; Plaggenborg, T.; Gutsche, C.; Parisi, J.; Knipper, M.; Kolny-Olesiak, J.
  
• Surface-Modified Tin Nanoparticles and Their Electrochemical Performance in Lithium Ion Battery Cells. ACS Appl. Nano Mater. 2019, 2 (6), 3577–3589
  Riedel, O.; Düttmann, A.; Dühnen, S.; Kolny-Olesiak, J.; Gutsche, C.; Parisi, J.; Winter, M.; Knipper, M.; Placke, T.