Synthese und Charakterisierung von Lithium-Übergangsmetall-Phosphat/Kohlenstoff-Komposit-Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Eine große Herausforderung für Lithium-Ionen-Batterien ist die Entwicklung von Hochvolt-Kathodenmaterialien. Lithium-Mangan-Phosphat Olivin ist ein vielversprechender Kandidat, weil dieses Material eine hohe Energiedichte, eine hohe spezifische Energie, eine hohe thermische Stabilität und eine hohe Sicherheit aufweisen kann. Weiterhin ist Mangan kostengünstig und umweltfreundlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Präparation von Lithium-Mangan-Phosphat für Lithium-Ionen-Batterien. Zur Herstellung der Kathodenmaterialien wurden die Sol-Gel- und die Pechini-Methode verwendet. Für jede Methode (Sol-Gel und Pechini) wurde eine Vielzahl verschiedener Syntheseparameter (Konzentration und Temperatur) untersucht, um Lithium-Mangan-Phosphat herzustellen. Durch die Variation dieser Parameter lässt sich Lithium-Mangan-Phosphat mit gezielter Morphologie herstellen. Wegen der geringen elektrischen Leitfähigkeit zeigt dieses Material in Batterien eine niedrige Kapazität. Zur Verbesserung der elektrochemischen Performance wurden C-Trägermaterialien (CNTs bzw. CNFs) mit Lithium-Mangan-Phosphat-Aktivmaterialien beschichtet. Anschließend erfolgte die physikalische Charakterisierung der präparierten Kathodenmaterialien mittels Simultaner Thermischer Analyse, Röntgendiffraktommetrie, Rasterelektronenmikroskopie, IR-, Raman-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Darüber hinaus wurden als elektrochemische Methoden zyklische Voltammetrie, galvanostatische Messungen sowie elektrische Impedanzspektroskopie eingesetzt. Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) und Kohlenstoff-Nanofaser (CNF) als Trägermaterialien zeigt eine Verbesserung der Batterieperformance bezüglich der spezifischen Kapazität. Für LiMnPO4/CNF- bzw. LiMnPO4/CNT-Komposite konnte ein deutlicher Einfluss des CNTs- bzw. CNFs-Anteils auf die elektrochemischen Eigenschaften gezeigt werden. Anschließend wurde die Stabilität der in dieser Arbeit verwendeten Elektrolyte während des Zyklierens in verschiedenen Spannungsbereichen untersucht. Ergänzende Untersuchungen der anderen LiMPO4-Olivine (M = Fe, Co und Ni) erfolgten in den nächsten Teilen dieser Arbeit. Diese Untersuchungen ergeben Kenntnisse über die strukturelle Morphologie sowie die elektrochemischen Reaktionen während der Zyklierung. Im Anschluss wurden weitere Strategien zur Entwicklung verbesserter Kathodenmaterialien demonstriert. Durch die Substitution des Mangans mit anderen Übergangsmetallen wurde die kinetische Hemmung des Mn3+/Mn2+-Schrittes verringert. Ziel der Substitution ist es, neue Komposit-Kathodenmaterialien mit homogener Verteilung des aktiven Materials zu entwickeln, die eine verbesserte elektrochemische Performance aufweisen. Bei LiMn1-xFexPO4/CNT-, LiMn1-xCoxPO4/CNF- und Li1-x-yFexCoyPO4/CNF-Kompositen zeigt sich eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und somit der spezifischen Kapazität der Lithium-Ionen-Batterien. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern zusätzlich Informationen über die aussichtreichsten Komposit-Kathodenmaterialien für zukünftige Anwendungen im Hochvoltbereich