Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met een samenvatting in het Nederlands. - Lit. opg.

Academisch proefschrift--Amsterdam. / Summary in English. "Literatuur": p. [119]-120.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Chemnitz, Techn. Universiẗat, Diss., 2001. / Datei im PDF-Format.

Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit.opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit. opg. en samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Auteursnaam op omslag: Gert Jan de Nijs. Omslagtitel: Pathways to charge equilibration. Met bibliogr., lit.opg. en samenvatting in het Nederlands.

Thesis--Groningen. / In Periodical Room.

The demand for LIB with enhanced energy densities leads to increased utilization of the space within the confinements of the battery housing or to the use of electrode material with increased intrinsic specific energy densities. Both requirements result in more stress on the battery electrodes and separator during cycling or aging. However, the effect of mechanical strain on the cell’s electrochemistry and thus the performance of batteries is rather unexplored compared to the impact of current or temperature, for example. The objective of this thesis was to give a better understanding of the electrochemical and mechanical interplay in current- and next-generation lithium based battery cells. Therefore, the thesis was structured into the investigations on SoA and next-generation LIBs. For SoA LIBs, the investigations of the interplay started at laboratory scale. Here, the expansion of various electrodes and also the impact of mechanical pressure and its distribution on the performance of the cells were studied. The investigations at laboratory scale was followed by an examination of the electrochemical and mechanical interactions on large format commercial LIBs which are used in BEVs. Accordingly, the effect of bracing and its effect on the performance was studied in an aging and post-mortem study. To gain a deeper understanding of the mechanical changes in LIBs, an ultrasonic study was performed for pouch cells. Here, the mechanical changes were further investigated in dependence of SoC and SoH. The effects of the mechanical stress on the performance for next-generation batteries were studied at laboratory scale. In the beginning, the expansion of next-generation anode materials such as silicon and lithium was compared with today’s anode materials. Furthermore, the effect of mechanical pressure and electrolyte on the irreversible dilation and performance was investigated for lithium metal cells. Overall, it was shown that pressure has a significant effect on the performance of today’s and also future LIBs. The interplay of the electrochemical and mechanical effects inside a LIB has a considerable impact on the lifetime, capacity fading and impedance increase of the batteries. / Mit der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit hoher Energiedichte geht eine effizientere Nutzung des Raumes innerhalb des Batteriegehäuses oder die Verwendung von Elektrodenmaterial mit erhöhter intrinsischer Energiedichte einher. Durch beide Maßnahmen steigt die mechanische Belastung auf die Batterieelektroden und den Separator während eines Zyklus oder im Zuge der Alterung. Deren Auswirkungen auf die elektrochemischen Reaktionen der Elektroden und damit auf die Leistung der Batterien ist jedoch im Vergleich zu den Auswirkungen von Strom oder Temperatur eher unerforscht. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, ein besseres Verständnis für das elektrochemische und mechanische Zusammenspiel in heutigen und zukünftigen Lithium-Batteriezellen zu entwickeln. Daher wurde die Arbeit in die Untersuchungen von heutigen und zukünftigen LIBs gegliedert. Für heutige LIBs begannen die Untersuchungen des elektrochemisch-mechanischen Zusammenspiels im Labormaßstab. Hier wurde die Ausdehnung unterschiedlicher Elektroden sowie der Einfluss des mechanischen Drucks und seiner Verteilung auf die Leistung der Batteriezellen untersucht. Aufbauend auf den Untersuchungen im Labormaßstab folgte eine Untersuchung der elektrochemischen und mechanischen Wechselwirkungen an großformatigen kommerziellen LIBs, die in BEVs verwendet werden. Dafür wurde der Einfluss von mechanischer Verspannung auf die Leistung der Batterien in einer Alterungs- und Post-Mortem-Studie untersucht. Um ein vertieftes Verständnis der mechanischen Veränderungen innerhalb der LIBs zu entwickeln, wurden kommerzielle Pouch-Zellen mittels Ultraschalluntersuchungen analysiert. Hierbei wurden die mechanischen Veränderungen in Abhängigkeit des Ladezustands und der Alterung weiter untersucht. Die Auswirkungen der mechanischen Belastung auf die Leistung von zukünftigen Batteriesystemen wurde im Labormaßstab untersucht. Zunächst wurde die Ausdehnung von Anodenmaterialien der nächsten Generation wie Silicium und Lithium mit heutigen Anodenmaterialien verglichen. Außerdem wurde der Einfluss von mechanischem Druck und des Elektrolyten auf die irreversible Dilatation und die Performance von Lithium-Metall Zellen untersucht. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass der Druck einen erheblichen Einfluss auf die Leistung heutiger und auch zukünftiger LIBs hat. Das Zusammenspiel der elektrochemischen und mechanischen Effekte in einer LIB hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer, den Kapazitätsabfall und die Impedanzerhöhung der Batterien.

Over the last decades, lithium-ion batteries have grown more important and substituted other energy storage systems. Due to advantages such as high energy density and low self-discharge, the lithium-ion battery has taken its part in the rechargeable energy storage market, and it is now found in most laptops, cameras and mobile phones. With the increasing demands for electrical vehicles and stationary energy storage systems, there is a necessity for improved lithium-ion battery materials. In this thesis several alternative electrode materials have been examined with a main focus on the electrochemical characterisation. As an alternative to the commercial cathode LiCoO2, the LiMn2O4 cathode has been suggested due to its reduced toxicity, material abundance, reduced costs and increased specific capacity. On the anode side, several Sn-containing anodes have been investigated and steps to overcome the main challenge, the great volume expansion upon cycling, have been taken. In addition, a novel anode material group was synthesised at the University of Marburg and two substances of the lithium chalcogenidometalate networks were successfully characterised. The cathode material, LiMn2O4, was synthesised via the sol-gel technique and several coating methods such as dip-coating, electrophoretics and infiltration were investigated. The LiMn2O4 material was initially coated on a porous metal foam as a current collector, thus providing new possibilities as the porosity of the substrate increased, mechanical stability and adhesion improved and a 3-dimensional network was obtained. In order to compare the results of the LiMn2O4 cathode material on the novel current collector, the material was also coated on a standard metallic foil and characterised. The analysis followed via X-ray diffraction, electron microscopy, thermogravimetrical analysis and several electrochemical techniques. Tin containing anode materials were chosen due to the doubling of the theoretical capacity compared with the commercially used graphite. However, a great challenge lies with using tin or tin-containing anode materials. Upon lithiation of Sn, the material can expand up to 300 %, therefore a stabilising effect is necessary to avoid a collapse of the material. This work shows several new concepts and attempts to overcome this challenge, including SnO2 nanowires deposited via chemical vapour deposition on both metallic foam and standard current collectors. A new improvement consisted of the tin - carbon nanofibers where the nanofibers form a stabilising matrix that can partially buffer the volume change of the Sn particles. The synthesis of the Sn-containing anodes took place at the University of Cologne, while characterisation, cell preparation and optimising the electrode system were features of this thesis. In addition, a lithium chalcogenidometalate network proved to be an interesting, new anode material group. Both Li4MnSn2Se7 and Li4MnGe2S7 (synthesised at Philipps-Universität Marburg) were electrochemically examined to better understand the lithiation processes. Both materials obtained very high specific capacities and were found to be possible alternatives to the state-of-the art anodes. All the examined electrode materials were found to have some advantage over the commercially used LiCoO2 and graphite electrodes, and a thorough characterization of the materials was performed to understand the processes that took place. / Lithium-Ionen Batterien sind in den letzten Jahrzehnten immer wichtiger geworden und haben mittlerweile andere Energiespeichersysteme in weiten Bereichen ersetzt. Ihre hohe Energiedichte und niedrige Selbstentladung sind Gründe dafür, dass die Lithium-Ionen Batterie einen großen Teil des Marktes für wiederaufladbare Energiespeicher einnimmt und ist in Laptops, Kameras und Handys zu finden. Mit dem zunehmenden Interesse an Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichersystemen entstand der Bedarf an verbesserten Lithium-Ionen Batteriematerialien. Verschiedene alternative Elektrodenmaterialien mit einem Hauptfokus auf ihrer elektrochemischen Charakterisierung wurden in dieser Dissertation untersucht. Als eine Alternative zum kommerziellen LiCoO2 wurde LiMn2O4 als Kathode vorgeschlagen, hauptsächlich aufgrund der niedrigeren Toxizität, der Materialverfügbarkeit und der erhöhten spezifischen Ladung. Auf der Anodenseite wurden verschiedene Sn-haltige Anoden untersucht um das vorangige Problem der Volumenausdehnung beim Laden/Entladen zu lösen. Außerdem wurde mit den Lithium-Chalkogenidometallaten ein neuartiges Anodenmaterial synthetisiert und erfolgreich charakterisiert. Das LiMn2O4-Kathodenmaterial wurde mittels einer Sol-Gel-Methode hergestellt und verschiedene Beschichtungsmethoden wie, Tauchbeschichtung, Elektrophorese und Infiltration, untersucht. Zunächst wurde ein hochporöser metallischer Stromableiter mit dem LiMn2O4-Material beschichtet, was neue Elektrodenbauformen ermöglicht. Die Porosität des Substrats kann erhöht und die mechanische Stabilität und Haftung verbessert werden. Außerdem ist ein 3-D Netzwerk vorhanden. Ein Vergleich mit LiMn2O4 auf einer metallischen Standardfolie wurde durchgeführt und eine allgemeine Charakterisierung mittels Röntgenbeugungsanalyse, Elektronenmikroskopie, Thermogravimetrie und elektrochemischen Methoden folgte. Aufgrund ihrer im Vergleich zu kommerziellem Graphit verdoppelten theoretisch speicherbaren Ladung wurden zinnhaltige Anodenmaterialien gewählt. Es besteht jedoch eine große Herausforderung bei Sn-haltigen Anoden, da sich das Material bei Lithierung des Sn um bis zu 300 % ausdehnt. Ein stabilisierender Effekt ist nötig, um einen Zusammenbruch des Materials zu vermeiden. In dieser Arbeit werden neue Konzepte und Bestrebungen zur Lösung aufgezeigt. Dies umfasst die Abscheidung von SnO2-Nanodrähten auf metallische Schäume und auf glatte Stromableiter. Eine weitere Verbesserung besteht aus Sn-Kohlenstoffnanofasern, bei denen die Nanofasern ein stabilisierendes Gerüst darstellen, so dass die Volumenausdehnung der Sn-Partikel teilweise aufgenommen wird. Die Synthese der Sn-Anoden wurde an der Universität zu Köln durchgeführt, die weitere Charakterisierung, Zellpräperation und Optimierung des Elektrodensystems waren Schwerpunkte dieser Dissertation. Weiterhin hat sich das Lithium-Chalkogenidometallat Netzwerk als ein interessantes Anodenmaterial erwiesen. Beide Materialien, Li4MnSn2Se7 und Li4MnGe2S7 (hergestellt an der Philipps-Universität Marburg), wurden elektrochemisch analysiert, um die Lithierungsprozesse im Detail zu verstehen. Beide Materialien erreichen sehr hohe spezifische Ladungen und können als denkbare Alternativen zum Stand der Technik betrachten werden. Alle untersuchten neuen Elektrodenmaterialien zeigen Vorteile gegenüber der kommerziellen LiCoO2- und Graphit-Elektroden. Zum besseren Verständnis der grundlegenden Prozesse wurde eine umfassende Charakterisierung der Materialien durchgeführt.