Hard Carbon Anode Materials for Sodium-ion Batteries

Abstract

Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie (LIBs) zählt zu den bedeutendsten Errungenschaften der vergangenen 30 Jahre und Ihre Erfolgsgeschichte spiegelt sich vor allem bei Mobilfunkgeräten, Notebooks und in der Elektromobilität wieder. Aufgrund der stetig wachsenden Nachfrage an LIBs kann es in Zukunft jedoch zu Engpässen bei der Lieferung der Rohmaterialien kommen, welche beispielsweise den Preis für Lithium treiben. Im Gegensatz dazu ist Natrium häufiger in der Erdkruste vorhanden und dementsprechend günstig, wodurch Batterien basierend auf Natrium (Sodium-ion batteries, SIBs) als Ladungsträger zu den nachhaltigen und preiswerten Alternativen gelten. Da beide Technologien auf dem gleichen Funktionsprinzip basieren könnten SIBs in bereits vorhandener Infrastruktur produziert werden, was eine Kommerzialisierung zusätzlich erleichtert. Eine der größten Herausforderungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung von SIBs ist jedoch, geeignete Aktivmaterialien für die negative Elektrode zu identifizieren. Graphit, das Standard Aktivmaterial in LIBs, kann aufgrund seines niedrigen Potentials und der Größe des Natrium Ions nicht verwendet werden. Hard Carbons (Nicht graphitierte Hartkohlenstoffe), speziell jene gewonnen aus Bioabfällen, sind aufgrund ihrer geringen Anschaffungskosten und der guten elektrochemischen Leistungsfähigkeit die vielversprechendsten Kandidaten für Anodenmaterialien in SIBs. Dennoch müssen für eine kommerzielle Anwendung zunächst verbleibende Herausforderungen wie beispielsweise das genaue Verständnis der Struktur oder der elektrochemische Na+ Speichermechanismus überwunden werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Hard Carbons im Hinblick auf ein besseres elektrochemisches Verständnis mit dem Fokus auf drei Parameter untersucht. Zunächst werden unterschiedliche Hard Carbons, gewonnen aus diversen Bioabfällen, charakterisiert, um den geeignetsten Kandidaten zu identifizieren. In einem zweiten Schritt wird der Einfluss der Porosität des Materials im Ganzen, und speziell der Zusammenhang zwischen geschlossenen Poren und der elektrochemischen Leistungsfähigkeit untersucht. Im letzten Teil wird der Einfluss der Säurebehandlung, einem Vorbehandlungsschritt bei der Synthese von Hard Carbons, im Hinblick auf das bessere Verständnis des Zusammenhangs zwischen Struktur des Materials und seinem Na+ Speichermechanismus untersucht. Alle drei Studien zielen darauf ab, in Zukunft nachhaltige, kostengünstige und vor allem leistungsfähige Hard Carbons als Anodenmaterialien für kommerzielle Natrium-Ionen Batterien zu entwickeln.