Cette thèse se positionne dans le domaine des batteries lithium-ion. Elle a pourobjectif de mieux comprendre le fonctionnement de l’électrode négative de graphiteen étudiant le processus de formation du film de passivation, couramment appeléSEI (Solid Electrolyte Interface) créé à l’interface avec l’électrolyte. Ce travail nousa conduit à proposer des modèles pouvant expliquer comment se forme la SEI et àidentifier les phénomènes qui entrent en jeu dans le fonctionnement de la batterie.La SEI résulte de la réaction entre l’électrode de graphite, les ions lithium et les moléculesorganiques de l’électrolyte qui survient lors du premier processus d’insertion.Elle est principalement composée des produits de décomposition de l’électrolyte etles ions lithium consommés ne sont plus échangeables. Elle est donc responsable dela capacité irréversible observée lors du premier cycle de formation, correspondantà la différence de capacité entre le processus d’insertion et le processus de désinsertion.Il est donc essentiel de mieux comprendre les paramètres qui l’influencentpour pouvoir ainsi la contrôler et limiter la perte irréversible de capacité. Les performancesen capacité de l’élément lithium-ion sont directement liées à cette valeurde capacité irréversible, elle doit être limitée afin de maximiser la quantité d’ionslithium échangée entre l’électrode négative et l’électrode positive. La stabilité dela SEI conditionne ensuite le comportement en cyclage de l’électrode au cours dutemps.Dans ce mémoire de thèse, nous avons choisi de caractériser le comportement del’électrode de graphite en faisant varier la nature de l’électrolyte et la taille desparticules de graphite tout en restant le plus proche possible du fonctionnementd’une vraie batterie. Au travers des techniques de caractérisations électrochimiques(cyclage galvanostatique, spectroscopie d’impédance) associées à des techniques decaractérisation de surface (spectroscopie de photoélectrons X, microscopie électroniqueà balayage), les résultats obtenus ont permis de proposer un nouveau modèlede formation de la SEI.Pour l’électrolyte, nous avons choisi de ne regarder que l’effet du solvant (le carbonatede propylène) et de l’additif (le carbonate de vinylène). Ces deux composésentrent dans la composition des électrolytes utilisés dans les éléments lithium-ioncommerciaux. Pour l’électrode de graphite, le choix des particules s’avère primordialpuisque chaque type de particules possède une chimie de surface spécifique (plans223basaux ou plans prismatiques) susceptible de réagir différemment vis-à-vis de l’électrolyte.Deux particules de graphite, de taille et de morphologie différentes, ont étéétudiées. Elles sont utilisées séparément en tant que matière active dans les électrodesnégatives des batteries lithium-ion. Notre spécificité est d’avoir préparé desélectrodes constituées par un mélange de ces deux particules et de les avoir ensuitecaractérisées en formation. L’application de conditions de fonctionnement différentescomme le régime de cyclage et la température d’essai ont mis en évidence les valeursidéales conduisant à minimiser la dégradation de l’électrolyte et à optimiser laqualité du film.Nous avons abouti, au travers de l’ensemble des méthodes de caractérisations misesen oeuvre, à une meilleure compréhension des mécanismes de formation du film depassivation permettant ainsi d’améliorer cette étape essentielle à la pérennité desperformances de l’électrode dans le temps. Ce travail a donc un réel impact auniveau industriel. Le modèle de formation proposé apporte un éclairage nouveau auprocessus de formation et peut permettre également d’aider en amont à la fabricationdes particules de graphite. / This work relates to the lithium ion battery field. The purpose of this study is tobetter understand the behavior of graphite electrodes by focusing on the formationof a passive layer named Solid Electolyte Interface (SEI) which is formed at thegraphite/electrolyte interface. This work has led us to put forward models whichcan explain the SEI formation and identify the reactions which take place in alithium ion battery.The SEI results from reactions between graphite electrode, lithium ions and organicmolecules from the electrolyte during the first charge of the lithium ion battery. It ismainly composed of decomposition products from the electrolyte. Consumed lithiumions can no longer be used in the next cycle. The SEI is therefore responsible for theirreversible capacity during the first formation cycle which is the charge loss betweenthe intercalation process and the deintercalation process. It is necessary to betterunderstand the impact of the formation conditions and other parameters in orderto control and limit the irreversible charge loss. Lithium ion battery performancesdepend on this irreversible capacity, this value has to be reduced in order to maximizethe amount of exchanged lithium ions between negative and positive electrodes. TheSEI stability will determine the electrode behavior upon cycling.In this thesis, we chose to study the graphite behavior by testing several electrolytecompositions and graphite particle sizes in electrochemical cells similar to areal battery. Electrochemical techniques (galvanostatic cycling and electrochemicalimpedance spectroscopy) and surface analyses (X-ray photoelectron spectroscopy,scanning electron microscopy) will be combined. These results helped us to developa new model of the SEI formation.For the electrolyte, we chose to study the effect of the solvent (propylene carbonate)and the additive (vinylene carbonate). Both components are commonly used inthe electrolyte for commercial lithium ion batteries. For the graphite electrode, thechoice of graphite particles is essential because each graphite family has its ownsurface chemistry (basal and prismatic surfaces) which can react in many wayswith the electrolyte. Two graphite particles, with specific sizes and morphologiesare studied. They are separately used as active materials for negative electrodes inlithium ion batteries. Our unique approach is to prepare graphite electrodes basedon a mix of both particles with various compositions and then test the electrode225performances. After testing several formation conditions such as the cycling rateand the temperature, we found the ideal formation conditions for minimizing theelectrolyte decomposition and optimizing the film quality.Finally, based on all the characterization methods, we came to a better understandingof the film formation process. In this way, we have improved this essentialpreliminary step which can now lead to more durable cycling performances overtime. This study can have a major impact on the industrial level. The formationmodel cast a new light on the formation process and can therefore help to makeefficient graphite electrodes.

Lithium-ion battery is attractive for various applications because of its high energy density. The performance of Li-ion battery is influenced by several properties of the electrode materials such as particle size, surface area, ionic and electronic conductivity, etc. Porosity is another important property of the electrode material, which influences the performance. Pores can allow the electrolyte to creep inside the particles and also facilitate volume expansion/contraction arising from intercalation/deintercalation of Li+ ions. Additionally, the rate capability and cycle-life can be enhanced. The following porous electrode materials are investigated. Poorly crystalline porous -MnO2 is synthesized by hydrothermal route from a neutral aqueous solution of KMnO4 at 180 oC and the reaction time of 24 h. On heating, there is a decrease in BET surface area and also a change in morphology from nanopetals to clusters of nanorods. As prepared MnO2 delivers a high discharge specific capacity of 275 mAh g-1 at a specific current of 40 mA g-1 (C/5 rate). Lithium rich manganese oxide (Li2MnO3) is prepared by reverse microemulsion method employing Pluronic acid (P123) as a soft template. It has a well crystalline structure with a broadly distributed mesoporosity but low surface area. However, the sample gains surface area with narrowly distributed mesoporosity and also electrochemical activity after treating in 4 M H2SO4. A discharge capacity of about 160 mAh g-1 is obtained at a discharge current of 30 mA g-1. When the acid-treated sample is heated at 300 °C, the resulting porous sample with a large surface area and dual porosity provides a discharge capacity of 240 mAh g-1 at a discharge current density of 30 mA g-1. Solid solutions of Li2MnO3 and LiMO2 (M=Mn, Ni, Co, Fe and their composites) are more attractive positive electrode materials because of its high capacity >200 mAh g-1.The solid solutions are prepared by microemulsion and polymer template route, which results in porous products. All the solid solution samples exhibit high discharge capacities with high rate capability. Porous flower-like α-Fe2O3 nanostructures is synthesized by ethylene glycol mediated iron alkoxide as an intermediate and heated at different temperatures from 300 to 700 oC. The α-Fe2O3 samples possess porosity with high surface area and deliver discharge capacity values of 1063, 1168, 1183, 1152 and 968 mAh g-1 at a specific current of 50 mA g-1 when prepared at 300, 400, 500, 600 and 700 oC, respectively. Partially exfoliated and reduced graphene oxide (PE-RGO) is prepared by thermal exfoliation of graphite oxide (GO) under normal air atmosphere at 200-500 oC. Discharge capacity values of 771, 832, 1074 and 823 mAh g -1 are obtained with current density of 30 mA g-1 at 1st cycle for PE-RGO samples prepared at 200, 300, 400 and 500 oC, respectively. The electrochemical performance improves on increasing of exfoliation temperature, which is attributed to an increase in surface area. The high rate capability is attributed to porous nature of the material. Results of these studies are presented and discussed in the thesis.

Developed rechargeable batteries are urgently required to make more efficient use of renewable energy sources to support our modern way of life. Among all battery types, lithium batteries have attracted the most attention because of the high energy density (both gravimetric and volumetric), long cycle life, reasonable production cost and the ease of manufacturing flexible designs. Indeed, electrode material characteristics need to be improved urgently to fulfil the requirements for high performance lithium ion batteries. TiO2-based anodes are highly promising materials for LIBs to replace carbon due to fast lithium insertion/extraction kinetics, environmentally-friendly behavior, low cost and low volume change (less than 4%) therewith, high structural stability as well as improved safety issues are obtained. Nevertheless, the low ionic and electric conductivity (≈ 10−12 S m−1) of TiO2 represent the main challenge. In short, the present work aims at developing, optimization and construction of novel anode materials for lithium ion batteries using materials that are stable, abundant and environmentally friendly. Herein, both of two-phase Ti80Co20 and single phase Ti-Sn alloys (with different Sn contents of 1 to 10 at.%) were used to fabricate highly ordered, vertically oriented and dimension-controlled 1D nanotubes of mixed transition metal oxides (TiO2-CoO and TiO2-SnO2) via a straight-forward anodic oxidation step in organic electrolytes containing NH4F. Surface morphology and current density for the initial nanotube formation are found to be dependent on the crystal structure of the alloy phases. Various characterization tools such as SEM, EDXS, TEM, XPS and Raman spectroscopy were used to characterize the grown nanotube films. The results reveal the successful formation of mixed TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes under the selected voltage ranges. The as-formed nanotubes are amorphous and their dimensions are precisely controlled by tuning the formation voltage. The electrochemical performance of the grown nanotubes was evaluated against a Li/Li+ electrode at different current densities. The results revealed that TiO2-CoO nanotubes prepared at 60 V exhibited the highest areal capacity of ~ 600 µAh cm–2 (i.e. 315 mAh g–1) at a current density of 10 µA cm–2. At higher current densities TiO2-CoO nanotubes showed nearly doubled lithium ion intercalation and a coulombic efficiency of 96 % after 100 cycles compared to lower effective TiO2 nanotubes prepared under identical conditions. To further improve the electrochemical performance of the TiO2-CoO nanotubes, a novel ternary carbon nanotubes (CNTs)@TiO2-CoO nanotubes composite was fabricated by a two-step synthesis method. The preparation includes an initial anodic fabrication of well-ordered TiO2-CoO NTs from a Ti-Co alloy, followed by growing of CNTs horizontally on the top of the oxide films using a simple spray pyrolysis technique. The unique 1D structure of such a hybrid nanostructure with the inclusion of CNTs demonstrates significantly enhanced areal capacity and rate performances compared to pure TiO2 and TiO2-CoO NTs without CNTs tested under identical conditions. The findings reveal that CNTs provide a highly conductive network that improves Li+ ion diffusivity promoting a strongly favored lithium insertion into the TiO2-CoO NT framework, and hence results in high capacity and extremely reproducible high rate capability. On the other hand, the results demonstrate that TiO2-SnO2 nanotubes prepared at 40 V on a Ti-Sn alloy with 1 at.% Sn display an average 1.4 fold increase in areal capacity with excellent cycling stability over more than 400 cycles compared to the pure TiO2 nanotubes fabricated and tested under identical conditions. The thesis is organized as follows: Chapter 1: General introduction, in which the common situation of energy demand, along with the importance of lithium ion batteries in renewable energy systems and portable devices are discussed. A brief introduction to TiO2-based anode in lithium ion batteries and the genera strategies for developing TiO2 anodes are also presented. The scope of this thesis as well as the main tasks are summarized. Chapter 2: The basic concepts of lithium ion batteries with an overview about their main components are discussed, including a brief information about the anode materials and the crystal structure of TiO2 anode. A detailed review for TiO2 nanomaterials for LIBs including the fabrication methods and the electrochemical performance of various TiO2 nanostructures (nanoparticles, nanorods, nanoneedles, nanowires and nanotubes) as well as porousTiO2 nanostructures is presented. The fabrication of TiO2 nanotubes by anodic oxidation, along with the growth mechanism are highlighted. The factors affecting the electrochemical performance of anodically fabricated pure TiO2, TiO2/carbon composites and TiO2-mixed with another metal oxide are reviewed. Chapter 3: In this chapter, the synthesis of TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes, along with the characterization techniques and the electrochemical basics and concepts are discussed. Chapter 4: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-CoO nanotubes and ternary (CNTs)@TiO2/CoO nanotube composites are presented. Chapter 5: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of ternary (CNTs)@TiO2-CoO nanotube composites are explained. Chapter 6: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-SnO2 nanotubes are presented. Chapter 7: Summarizes the results presented in this work finishing with realistic conclusions, and highlights interesting work for the future. / Um die zur Aufrechterhaltung unserer modernen Lebensweise unabdingbaren erneuerbaren Energiequellen effizient nutzen zu können, werden hochentwickelte wiederaufladbare Batterien dringend benötigt. Lithium-Ionenbatterien gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte (sowohl gravimetrisch als auch volumetrisch), ihrer langen Lebensdauer, moderater Produktionskosten und aufgrund der Möglichkeit, vielfältige Konzepte einfach herstellen zu können, als vielversprechend. Dennoch müssen die Elektrodenmaterialien dringend verbessert werden, um den Ansprüchen an zukünftige hochentwickelte Lithium-Ionenbatterien gerecht zu werden. TiO2-basierte Anoden gelten aufgrund ihrer schnellen Lade- und Entladekinetik, ihres umweltfreundlichen Verhaltens und niedriger Kosten als aussichtsreiche Alternativen zu Kohlenstoffen. Durch die geringe Volumenänderung beim Lithiumeinbau (unter 4%) werden außerdem eine hohe strukturelle Stabilität und erhöhte Sicherheit gewährleistet. Die hauptsächlichen Herausforderungen stellen die niedrige ionische und elektrische Leitfähigkeit (≈ 10−12 S m−1) von TiO2 dar. Zusammengefasst liegt das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung, Optimierung und Herstellung neuartiger Anodenmaterialien für Lithium-Ionenbatterien unter Verwendung stabiler, verfügbarer und umweltfreundlicher Materialien. In dieser Arbeit wurden sowohl zweiphasiges Ti80Co20 und einphasige Ti-Sn-Legierungen (mit verschiedenen Sn-Gehalten zwischen 1 und 10 at-%) zur Herstellung hochgeordneter, vertikal orientierter eindimensionaler Nanoröhren aus gemischten Übergangsmetalloxiden (TiO2–CoO und TiO2–SnO2) mittels anodischer Oxidation in NH4F-haltigen organischen Elektrolyten genutzt. Dabei wurden Abhängigkeiten der Oberflächenmorphologie und der Stromdichte für die Bildung der Nanoröhren von der Kristallstruktur der zugrundeliegenden Legierung beobachtet. Vielfältige Methoden wie REM, EDXS, TEM, XPS und Ramanspektroskopie wurden genutzt, um die Nanoröhren zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass gemischte TiO2-CoO und TiO2-SnO2 Nanoröhren in den gewählten Spannungsfenstern erfolgreich gebildet werden konnten. Die so hergestellten Nanoröhren sind amorph und in ihren Dimensionen präzise durch die Wahl der Spannung einstellbar. Eine elektrochemische Beurteilung der Nanoröhren erfolgte durch Tests gegen eine Li/Li+-Elektrode bei veschiedenen Stromdichten. Die Resultate zeigen, dass TiO2-CoO-Nanoröhren, welche bei 60 V hergestellt wurden, die höchsten Flächenkapazitäten von ~ 600 µAh cm–2 (d.h. 315 mAh g–1) bei einer Stromdichte von 10 µA cm–2 aufweisen. Bei höheren Stromdichten zeigen TiO2-CoO-Nanoröhren nahezu verdoppelte Lithiuminterkalation und eine Coulomb-Effizienz von 96 % nach 100 Zyklen, verglichen mit weniger effektiven TiO2–Nanoröhren, welche unter identischen Bedingungen hergestellt wurden. Um die elektrochemischen Eigenschaften der TiO2-CoO-Nanoröhren weiter zu verbessern, wurde ein neuer Komposit aus Kohlenstoff-Nanoröhren und TiO2-CoO-Nanoröhren ((CNT)s@TiO2/CoO) durch eine zweistufige Synthese hergestellt. Die Herstellung beinhaltet zunächst die anodische Bildung geordneter TiO2/CoO-Nanoröhren, ausgehend von einer Ti-Co-Legierung, gefolgt von einem horizontalen Kohlenstoff-Nanoröhren-Wachstum auf dem Oxid mittels einer simplen Sprühpyrolyse. Die einzigartige 1D-Struktur einer solchen hybriden Nanostruktur mit eingebundenen CNTs zeigt deutlich erhöhte Flächenkapazitäten und Belastbarkeiten im Vergleich zu Nanoröhren aus TiO2 und TiO2/CoO-Nanoröhren ohne CNTs, die unter identischen Bedingungen getestet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die CNTs ein hochleitfähiges Netzwerk bilden, welches die Diffusion von Lithium-Ionen und deren Einbau in die TiO2/CoO-Nanoröhren begünstigt und somit hohe Kapazitäten und reproduzierbare hohe Belastbarkeiten bewirkt. Außerdem zeigen die Resultate, dass TiO2-SnO2 Nanoröhren, welche bei 40 V auf einer Ti-Sn-Legierung mit 1 at.% Sn hergestellt wurden, im Mittel eine 1,4-fache Erhöhung der Flächenkapazität und eine exzellente Zyklenstabilität über mehr als 400 Zyklen, verglichen mit unter identischen Konditionen hergestellten und getesteten TiO2-Nanoröhren, zeigen. Die Arbeit ist wie folgt organisiert: Kapitel 1: Allgemeine Einführung, in der die Energienachfrage und die Bedeutung von Lithium-Ionenbatterien in erneuerbaren Energiesystemen und tragbaren Geräten diskutiert wird. Eine kurze Einleitung zu TiO2-basierten Anoden in Lithium-Ionenbatterien und allgemeine Strategien zur Entwicklung von TiO2-Anoden werden ebenfalls gezeigt. Das Ziel der Arbeit und hauptsächliche Aufgaben werden zusammengefasst. Kapitel 2: Das grundlegende Konzept der Lithium-Ionenbatterie mit einem Überblick über ihre Hauptkomponenten wird diskutiert. Dies beinhaltet auch eine kurze Darstellung der Anodenmaterialien und der Kristallstruktur von TiO2-Anoden. Eine detaillierte Übersicht über TiO2-Nanomaterialien für LIB, welche Herstellungsmethoden und die elektrochemische Performance verschiedener TiO2-Nanostrukturen (Nanopartikel, Nanostäbe, Nanonadeln, Nanodrähte und Nanoröhren) und poröser TiO2-Nanostrukturen beinhaltet, wird gezeigt. Die Bildung von TiO2-Nanoröhren durch anodische Oxidation und der Wachstumsmechanismus werden hervorgehoben. Faktoren, welche die elektrochemische Performance anodisch hergestellter TiO2-Materialien, TiO2/Kohlenstoff-Komposite und TiO2 als Gemisch mit anderen Metalloxiden beeinflussen, werden diskutiert. Kapitel 3: In diesem Kapitel werden die Synthese von TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2/CoO und TiO2-SnO2-Nanoröhren, die Charakterisierungsmethoden, elektrochemische Grundlagen und Konzepte diskutiert. Kapitel 4: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der TiO2-CoO- Nanoröhren und der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden gezeigt. Kapitel 5: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden diskutiert. Kapitel 6: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance von TiO2-SnO2-Nanoröhren werden gezeigt. Kapitel 7: Eine Zusammenfassung der Resultate, die in dieser Arbeit gezeigt wurden und Schlussfolgerungen, sowie interessante Ansatzpunkte für zukünftige Arbeiten werden präsentiert.

Li-ion thin film battery technology has attracted much attention in recent years due to its highest need in portable electronic devices. Development of new materials for lithium ion battery (LIB) is very crucial for enhancement of the performance. LIB can supply higher energy density because Lithium is the most electropositive (-3.04V vs. standard hydrogen electrode) and lightest metal (M=6.94 g/mole). LIBs show many advantages over other kind of batteries such as, high energy density, high power density, long cycle life, no memory effect etc. The major work presented in this thesis is on the development of nanostructured materials for anode of Li-ion battery. It involves the synthesis and analysis of grapheme nanosheet (GNS) and its performance as anode material in Li ion battery. We studied the synthesis of GNS over different substrates and performed the anode studies. The morphology of GNS has great impact on Li storage capacity. Tin and Tin oxide nanostructures have been embedded in the GNS matrix and their electrochemical performance has been studied. Chapter 1 gives the brief introduction about the Li ion batteries (LIBs), working and background. Also the relative advantages and characterization of different electrode materials used in LIBs are discussed. Chapter 2 discusses various experimental techniques that are used to synthesize the electrode materials and characterize them. Chapter3 presents the detailed synthesis of graphene nanosheet (GNS) through electron cyclotron resonance (ECR) microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR PECVD) method. Various substrates such as metallic (copper, Ni and Pt coated copper) and insulating (Si, amorphous SiC and Quartz) were used for deposition of GNS. Morphology, structure and chemical bonding were analyzed using SEM, TEM, Raman, XRD and XPS techniques. GNS is a unique allotrope of carbon, which forms highly porous and vertically aligned graphene sheets, which consist of many layers of graphene. The morphology of GNS varies with substrate. Chapter 4 deals with the electrochemical studies of GNS films. The anode studies of GNS over various substrates for Li thin film batteries provides better discharge capacity. Conventional Li-ion batteries that rely on a graphite anode have a limitation in the capacity (372 mAh/g). We could show that the morphology of GNS has great effect in the electrochemical performance and exceeds the capacity limitation of graphite. Among the electrodes PtGNS shown as high discharge capacity of ~730 mAh/g compare to CuGNS (590 mAh/g) and NiGNS (508 mAh/g) for the first cycle at a current density of 23 µA/cm2. Electrochemical impedance spectroscopy provides the various cell parameters of the electrodes. Chapter 5 gives the anodic studies of Tin (Sn) nanoparticles decorated over GNS matrix. Sn nanoparticles of 20 to 100nm in size uniformly distributed over the GNS matrix provides a discharge capacity of ~1500 mAh/g mAh/g for as deposited and ~950 mAh/g for annealed Sn@GNS composites, respectively. The cyclic voltammogram (CV) also shows the lithiation and delithiation process on GNS and Sn particles. Chapter 6 discusses the synthesis of Tinoxide@GNS composite and the details of characterization of the electrode. SnO and SnO2 phases of Tin oxide nanostructures differing in morphologies were embedded in the GNS matrix. The anode studies of the electrode shows a discharge capacity of ~1400 mAh/g for SnO phase (platelet morphology) and ~950 mAh/g for SnO2 phase (nanoparticle morphology). The SnO phase also exhibits a good coulumbic efficiency of ~95%. Chapter 7 describes the use of SnO2 nanowire attached to the side walls of the GNS matrix. A discharge capacity of ~1340 mAh/g was obtained. The one dimensional wire attached to the side walls of GNS film and increases the surface area of active material for Li diffusion. Discharge capacity obtained was about 1335 mAhg-1 and the columbic efficiency of ~86% after the 50th cycle. The research work carried out as part of this thesis, and the results have summarized in chapter 8.

Dans cette thèse, nous avons effectué une étude de la stabilité thermique de quelques matériaux, utilisés comme cathodes dans les batteries au lithium-ion (BLIs), afin de contribuer à l’amélioration de leur fonctionnement. Deux matériaux, potentiellement prometteurs pour les applications d’envergure des BLIs – telles que les véhicules électriques –, ont été choisis pour cette étude. Il s’agit du phosphate de fer lithié (LiFePO4) et de l’oxyde de nickel et de manganèse de structure-type spinelle (LiMn1.5Ni0.5O4). En plus de l’étude du mécanisme de décomposition de ce dernier, l’effet de la substitution partielle du manganèse dans le matériau original (LiMn2O4) par du nickel sur la réactivité a été mise en évidence. Ces études ont été menées grâce à la calorimétrie adiabatique afin de simuler les conditions thermiques retrouvées dans des BLIs où l’environnement est quasi-adiabatique. L’effet de trois méthodes de synthèse sur la réactivité a été examiné pour LiFePO4. Nos résultats ont montré que, contrairement aux autres matériaux de cathodes, la stabilité thermique globale de LiFePO4 est peu affectée par la méthode de synthèse. Toutefois, cette stabilité intrinsèque dont le LiFePO4 bénéficie ne le met pas à l’abri des conditions d’abus de source externes. Ainsi, nous avons développé une nouvelle classe d’additifs électrolytiques pour la protection de LiFePO4 contre la surcharge. Ces derniers consistent en l’incorporation d’une navette redox dans un liquide ionique; tirant ainsi profit des avantages des deux espèces. Notre approche nous a permis d’atteindre une concentration aussi élevée qu’une mole par litre de notre additif dans des électrolytes conventionnels. Nous avons montré qu’à une concentration optimale de 0.7 M, ces liquides ioniques fonctionnalisés ont assuré la protection de LiFePO4 contre la surcharge pour plus de 200 cycles; et ce, sans affecter ses performances électrochimiques. Finalement, pour ce qui est du deuxième matériau de cathode, nous avons établi un mécanisme de décomposition de LiMn1.5Ni0.5O4 à hautes températures en présence de l’électrolyte. En plus, notre étude a montré que la substitution partielle du manganèse par le nickel dans LiMn2O4 pour augmenter son potentiel opérationnel a affecté à la baisse sa stabilité thermique; et ce, à des températures aussi basses que 60 °C. / In this thesis, we have investigated the thermal stability of cathode materials used in lithium-ion batteries (LIBs). Using accelerating rate calorimetry, the study was carried out on two of the most attractive cathode materials for large scale LIBs; namely, lithium iron phosphate (LiFePO4) and nickel-manganese spinel oxide (LiMn1.5Ni0.5O4). While the impact of partial nickel substitution for manganese in LiMn2O4 was investigated for LiMn1.5Ni0.5O4 along with its decomposition mechanism, the effect of the synthetic method was evaluated for LiFePO4. Our results have demonstrated that the high intrinsic thermal stability of LiFePO4 was only slightly affected by the synthetic method within the three studied routes. In order to enhance the safe operation of this material by providing a protection form electrical abuse during overcharge, we have developed a new class of overcharge protection additives. By combining a redox shuttle with an ionic liquid, we were able, for the first time, to dissolve the additive for protection against overcharge at concentrations up to 1 M in conventional electrolytes for LIBs. Our results have shown an overcharge protection of LiFePO4 for over 200 cycles, using an optimal concentration of 0.7 M, without compromising its electrochemical performances. Finally, by studying the thermal behavior of LiMn1.5Ni0.5O4 at different temperatures, we were able to establish the decomposition mechanism of this material. Moreover, our study has proven that the presence of nickel in LiMn1.5Ni0.5O4, that ensures the high voltage of this cathode material, is also responsible for the very poor thermal stability of this material at temperatures as low as 60 ºC.

Hierarchically porous nitrogen-doped graphene frameworks (N-GFs) are fabricated through the ice-templating of GO with polyethylenimine and the thermal treatment of the resultant hybrids. As cathode materials in lithium ion batteries (LIBs), the obtained N-GFs exhibit an outstanding specific capacity of 379 mA h g−1 at 0.5 A g−1 for 2500 cycles. Even at an ultrahigh current density of 5 A g−1, the N-GFs maintain a capacity of 94 mA h g−1, superior to that of most reported LIB cathode materials. The experimental results and quantum mechanics calculations suggest that pyridinic-like N and pyridinic N-oxide in graphene are responsible for the excellent cathodic performance of the bipolar N-GFs by providing fast surface faradaic reactions with both p- and n-doped states.

Hierarchically porous nitrogen-doped graphene frameworks (N-GFs) are fabricated through the ice-templating of GO with polyethylenimine and the thermal treatment of the resultant hybrids. As cathode materials in lithium ion batteries (LIBs), the obtained N-GFs exhibit an outstanding specific capacity of 379 mA h g−1 at 0.5 A g−1 for 2500 cycles. Even at an ultrahigh current density of 5 A g−1, the N-GFs maintain a capacity of 94 mA h g−1, superior to that of most reported LIB cathode materials. The experimental results and quantum mechanics calculations suggest that pyridinic-like N and pyridinic N-oxide in graphene are responsible for the excellent cathodic performance of the bipolar N-GFs by providing fast surface faradaic reactions with both p- and n-doped states.

The environmental concerns over the use of fossil fuels, and their resource constraints, as well as energy security concerns, have spurred great interest in generating electric energy from renewable sources. Solar and wind energy are abundant and potentially readily available. However, the generation of sustainable energies is generally intermittent and these energies have geographical limits which are relative to current large-scale energy generation facilities. To smooth out the intermittency of renewable energy production, low-cost electrical energy storage (EES) devices are becoming highly necessary. Among these EES technologies, lithium ion batteries are one of the most promising EES devices in terms of the characteristics of high gravimetric, volumetric energy density and environmentally friendly compared to lead-acid batteries and Ni-Cd batteries. Other advantages of Li-ion batteries are the ability of being recharged hundreds of times and high stability. Moreover, the dramatically growing market share of hybrid electrical and electrical vehicles in automobiles has motivated the development of high energy and power density LIBs with high mass loading. However, there are still several remaining challenges in LIBs for their further application in grid-scale ESSs. One of the global issues to date is the high costs including the cost of raw materials such as lithium and cobalt, production, machining, and transportation, etc. In addition, the increasing energy demand thereby leads to the pressures on the resource supply chains and thus increasing the cost of LIBs. Therefore, it is urgent to find a complementary or alternative EES device in a short term to satisfy the growing energy demand. Under the background of fast development of LIBs technology as well as the establishment of Li chemistry fundamentals in the last 40 years, rechargeable battery systems utilizing Na element have been extensively studied to develop less expensive and more sustainable ESSs. The sodium resource is abundantly existed in the planet. According to the periodic table, sodium is the most possible alternative to lithium, because it has the similar chemical and physical properties towards to lithium. As a consequence, the established fundamentals in LIBs can be reasonably analogized to SIBs. Moreover, Sodium is readily available from various sources-foods that contain sodium naturally, foods containing salt and other sodium-containing ingredients. Therefore, The study of SIBs technology and sodium chemistry are gaining increasing interests and attentions both in the scientific researchers and battery industry. However, theoretically speaking, the energy density of SIBs is lower than that of LIBs by using same electrode materials because sodium is more than 3 times heavier than Li as well as the standard electrode potential of Na (-2.71 V) is higher than Li (-3.04 V). Therefore, SIBs are not thought as an ideal candidate to substitute LIBs in the fields of small or middle-size portable devices, but are more favorable in a large grid support where the operation cost is the primary choice. Negative electrode is important component in a single cell. Exploring negative electrode materials with high electrochemical performance in LIBs and SIBs is indeed required for fulfilling the spreading energy demand. Among various negative electrode materials, layered transition metal sulfides (MSs) are reckoned as a promising class with high theoretical specific capacity and power capability due to their intrinsically layered structure which is beneficial to the diffusion of Li+ and Na+ . However, layered transition metal sulfides are suffering from intrinsically poor electrical conductivity, volume changes, high irreversibility and sluggish kinetics during Li+ /Na+ storage process. To address these issues, numerous strategies are applied to explore high performance LIBs and SIBs negative electrode materials in this PHD thesis. / Die ökologischen Bedenken hinsichtlich der Nutzung fossiler Brennstoffe und deren Ressourcenbeschränkungen sowie Bedenken hinsichtlich der Energiesicherheit haben großes Interesse an der Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen geweckt. Sonnen- und Windenergie sind im Überfluss vorhanden und potenziell leicht verfügbar. Die Erzeugung nachhaltiger Energien ist jedoch in der Regel intermittierend, und diese Energien haben geographische Grenzen, die im Vergleich zu den derzeitigen großen Energieerzeugungsanlagen relativ begrenzt sind. Um die Unterbrechungen in der Produktion erneuerbarer Energien auszugleichen, werden kostengünstige elektrische Energiespeicher (EES) dringend notwendig. Unter diesen EES-Technologien sind Lithium-Ionen-Batterien eines der vielversprechendsten EES-Geräte hinsichtlich der Eigenschaften einer hohen gravimetrischen, volumetrischen Energiedichte und umweltfreundlich im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien und Ni-Cd-Batterien. Weitere Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien sind die Fähigkeit, hunderte Male wieder aufgeladen werden zu können, und die hohe Stabilität. Darüber hinaus hat der dramatisch wachsende Marktanteil von Hybrid- und Elektrofahrzeugen in Automobilen die Entwicklung von LIBs mit hoher Energie- und Leistungsdichte und hoher Massenbelastung motiviert. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen in den LIBs, die für die weitere Anwendung in den ESSs im Rastermaßstab erforderlich sind. Eine der bisherigen globalen Fragen sind die Gesamtkosten einschließlich der Kosten für Rohstoffe wie Lithium und Kobalt, Produktion, Bearbeitung und Transport usw. Darüber hinaus führt die steigende Energienachfrage dadurch zu einem Druck auf die Ressourcenversorgungsketten und damit zu einer Verteuerung der LIBs. Daher ist es dringend erforderlich, kurzfristig eine ergänzende und alternative EES-Technologie zu finden, um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Vor dem Hintergrund der schnellen Entwicklung der LIBs-Technologie sowie der Etablierung der Grundlagen der Li-Chemie in den letzten 40 Jahren wurden wiederaufladbare Batteriesysteme, die das Na-Element verwenden, umfassend untersucht, um kostengünstigere und nachhaltigere ESSs zu entwickeln. Die Natriumressource ist auf der Erde im Überfluss vorhanden. Nach dem Periodensystem ist Natrium die möglichste Alternative, da es die ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Lithium hat. Folglich lassen sich die etablierten Grundlagen der LIBs in vernünftiger Weise mit denen der SIBs vergleichen. Darüber hinaus ist Natrium aus verschiedenen Quellen leicht erhältlich - aus Lebensmitteln, die von Natur aus Natrium enthalten, aus Lebensmitteln, die Salz und andere natriumhaltige Zutaten enthalten. Daher gewinnt das Studium der SIBs-Technologie und Natriumchemie sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Batterieindustrie zunehmend an Interesse und Aufmerksamkeit. Theoretisch gesehen ist jedoch die Energiedichte von SIBs bei Verwendung der gleichen Elektrodenmaterialien niedriger als die von LIBs, da Natrium mehr als dreimal schwerer als Li ist und das Standardelektrodenpotential von Na (-2,71 V) höher als Li (-3,04 V) ist. Daher werden SIBs nicht als idealer Kandidat für den Ersatz von LIBs im Bereich kleiner oder mittelgroßer tragbarer Geräte angesehen, sondern sie sind günstiger bei einer großen Netzunterstützung, bei der die Betriebskosten die primäre Wahl sind. Die negative Elektrode ist ein notwendiger und wichtiger Teil in einer einzelnen Zelle. In der Tat ist es zur Erfüllung des sich ausbreitenden Energiebedarfs erforderlich, negative Elektroden-Materialien mit hoher elektrochemischer Leistung in LIBs und SIBs zu untersuchen. Unter den verschiedenen Materialien für negative Elektroden gelten geschichtete Übergangsmetallsulfide (MS) als eine vielversprechende Klasse mit hoher theoretischer spezifischer Kapazität und Leistungskapazität aufgrund ihrer intrinsisch geschichteten Struktur, die der Diffusion von Li+ und Na+ förderlich ist. Allerdings leiden schichtförmige Übergangsmetallsulfide unter inhärent schlechter elektrischer Leitfähigkeit, Volumenänderungen, hoher Irreversibilität und träger Kinetik während des Li+ /Na+ -Speicherprozesses. Um diese Probleme anzugehen, werden in dieser Doktorarbeit zahlreiche Strategien zur Untersuchung von Hochleistungs-LIBs und SIBs für negative Elektrodenmaterialien angewandt.

Developed rechargeable batteries are urgently required to make more efficient use of renewable energy sources to support our modern way of life. Among all battery types, lithium batteries have attracted the most attention because of the high energy density (both gravimetric and volumetric), long cycle life, reasonable production cost and the ease of manufacturing flexible designs. Indeed, electrode material characteristics need to be improved urgently to fulfil the requirements for high performance lithium ion batteries. TiO2-based anodes are highly promising materials for LIBs to replace carbon due to fast lithium insertion/extraction kinetics, environmentally-friendly behavior, low cost and low volume change (less than 4%) therewith, high structural stability as well as improved safety issues are obtained. Nevertheless, the low ionic and electric conductivity (≈ 10−12 S m−1) of TiO2 represent the main challenge. In short, the present work aims at developing, optimization and construction of novel anode materials for lithium ion batteries using materials that are stable, abundant and environmentally friendly. Herein, both of two-phase Ti80Co20 and single phase Ti-Sn alloys (with different Sn contents of 1 to 10 at.%) were used to fabricate highly ordered, vertically oriented and dimension-controlled 1D nanotubes of mixed transition metal oxides (TiO2-CoO and TiO2-SnO2) via a straight-forward anodic oxidation step in organic electrolytes containing NH4F. Surface morphology and current density for the initial nanotube formation are found to be dependent on the crystal structure of the alloy phases. Various characterization tools such as SEM, EDXS, TEM, XPS and Raman spectroscopy were used to characterize the grown nanotube films. The results reveal the successful formation of mixed TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes under the selected voltage ranges. The as-formed nanotubes are amorphous and their dimensions are precisely controlled by tuning the formation voltage. The electrochemical performance of the grown nanotubes was evaluated against a Li/Li+ electrode at different current densities. The results revealed that TiO2-CoO nanotubes prepared at 60 V exhibited the highest areal capacity of ~ 600 µAh cm–2 (i.e. 315 mAh g–1) at a current density of 10 µA cm–2. At higher current densities TiO2-CoO nanotubes showed nearly doubled lithium ion intercalation and a coulombic efficiency of 96 % after 100 cycles compared to lower effective TiO2 nanotubes prepared under identical conditions. To further improve the electrochemical performance of the TiO2-CoO nanotubes, a novel ternary carbon nanotubes (CNTs)@TiO2-CoO nanotubes composite was fabricated by a two-step synthesis method. The preparation includes an initial anodic fabrication of well-ordered TiO2-CoO NTs from a Ti-Co alloy, followed by growing of CNTs horizontally on the top of the oxide films using a simple spray pyrolysis technique. The unique 1D structure of such a hybrid nanostructure with the inclusion of CNTs demonstrates significantly enhanced areal capacity and rate performances compared to pure TiO2 and TiO2-CoO NTs without CNTs tested under identical conditions. The findings reveal that CNTs provide a highly conductive network that improves Li+ ion diffusivity promoting a strongly favored lithium insertion into the TiO2-CoO NT framework, and hence results in high capacity and extremely reproducible high rate capability. On the other hand, the results demonstrate that TiO2-SnO2 nanotubes prepared at 40 V on a Ti-Sn alloy with 1 at.% Sn display an average 1.4 fold increase in areal capacity with excellent cycling stability over more than 400 cycles compared to the pure TiO2 nanotubes fabricated and tested under identical conditions. The thesis is organized as follows: Chapter 1: General introduction, in which the common situation of energy demand, along with the importance of lithium ion batteries in renewable energy systems and portable devices are discussed. A brief introduction to TiO2-based anode in lithium ion batteries and the genera strategies for developing TiO2 anodes are also presented. The scope of this thesis as well as the main tasks are summarized. Chapter 2: The basic concepts of lithium ion batteries with an overview about their main components are discussed, including a brief information about the anode materials and the crystal structure of TiO2 anode. A detailed review for TiO2 nanomaterials for LIBs including the fabrication methods and the electrochemical performance of various TiO2 nanostructures (nanoparticles, nanorods, nanoneedles, nanowires and nanotubes) as well as porousTiO2 nanostructures is presented. The fabrication of TiO2 nanotubes by anodic oxidation, along with the growth mechanism are highlighted. The factors affecting the electrochemical performance of anodically fabricated pure TiO2, TiO2/carbon composites and TiO2-mixed with another metal oxide are reviewed. Chapter 3: In this chapter, the synthesis of TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes, along with the characterization techniques and the electrochemical basics and concepts are discussed. Chapter 4: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-CoO nanotubes and ternary (CNTs)@TiO2/CoO nanotube composites are presented. Chapter 5: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of ternary (CNTs)@TiO2-CoO nanotube composites are explained. Chapter 6: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-SnO2 nanotubes are presented. Chapter 7: Summarizes the results presented in this work finishing with realistic conclusions, and highlights interesting work for the future.:1. Introduction and scope of the thesis 15 1.1 Batteries for renewable energy systems and portable devices 15 1.2 TiO2-based anodes in lithium ion batteries 17 1.3 Strategies for developing TiO2 anodes 17 1.4 Scope of work 19 1.5 Tasks 20 2. Basics and literature review 23 2.1 Lithium ion battery system 23 2.2 Anode materials 26 2.3 Crystal structure of TiO2 28 2.4 TiO2 nanomaterials for LIBs 30 2.4.1 TiO2 nanoparticles 30 2.4.2 TiO2 nanoneedles 36 2.4.3 Porous TiO2 nanostructures 39 2.5 TiO2 nanotubes prepared by electrochemical anodization 44 2.6 The mechanism of nanotube formation by anodic oxidation 47 2.7 Anodically fabricated TiO2 nanotubes as anodes in LIBs 49 2.7.1 Anodization electrolyte 50 2.7.2 Amorphous and crystalline TiO2 anodes 50 2.7.3 Influence of the nnealing atmospheres of TiO2 52 2.7.4 Free-standing TiO2 nanotube membranes 54 2.7.5 TiO2 nanotubes/carbon composites 55 2.7.6 Mixed oxide nanotubes 55 3. Materials and methods 61 3.1 Methodology 61 3.1.1 Synthesis of TiO2-CoO and TiO2 nanotubes 61 3.1.2 Synthesis of CNTs@TiO2-CoO NT composite 62 3.1.3 Synthesis of TiO2-SnO2 and TiO2 nanotubes 63 3.2 Characterization techniques 64 3.2.1 X-ray diffraction (XRD 64 3.2.2 Scanning electron microscopy (SEM 65 3.2.3 Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDXS 65 3.2.4 Transmission electron spectroscopy (TEM 66 3.2.5 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS 66 3.2.6 Raman spectroscopy 67 3.2.7 Nitrogen sorption isotherms 67 3.2.8 Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP–OES 68 3.3 Basic definitions and electrochemical concepts 68 3.3.1 Faraday’s law 68 3.3.2 Capacity 69 3.3.3 Discharging 69 3.3.4 Charging 69 3.4 Electrochemical techniques 70 3.4.1 Cyclic voltammetry 70 3.4.2 Galvanostatic discharging/charging cycling 70 3.4.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 71 3.5 Electrode preparation and measurement conditions 71 3.5.1 TiO2-CoO nanotube electrodes 71 3.5.2 CNTs@TiO2 and CNTs@TiO2/CoO NTs electrodes 72 3.5.3 TiO2-SnO2 nanotube electrodes 73 4. TiO2-CoO as anodes in lithium ion batteries 75 4.1 Introduction 76 4.2 Characterization 76 4.2.1 Phase identification of as cast Ti-Co alloy 76 4.2.2 Time-current density relationship 79 4.2.3 Morphology of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 81 4.2.4 Phase identification of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 85 4.2.5 Specific surface area of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 87 4.2.6 Chemical state in the grown TiO2-CoO nanotubes 89 4.2.7 Raman spectroscopy of TiO2-CoO nanotubes 91 4.3 Electrochemical testing of TiO2-CoO electrodes 92 4.3.1 Cyclic voltammetry 92 4.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 93 4.3.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 97 4.3.4 Structural stability TiO2-CoO anodes over cycling 98 4.4 Summary of chapter 4 99 5. Ternary CNTs@TiO2-CoO nanotube composites: improved anode materials for LIBs 101 5.1 Introduction 102 5.2 Characterization 103 5.2.1 Morphology and Raman analysis of the fabricated CNTs@TiO2-CoO NTs 103 5.2.2 XRD analysis of the fabricated TiO2-CoO NTs before and after CNTs coating 106 5.3 Electrochemical properties 107 5.3.1 Cyclic voltammetry 107 5.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 109 5.3.2 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 112 5.4 Summary of chapter 5 114 6. TiO2-SnO2 nanotubes as anodes in lithium ion batteries 115 6.1 Introduction 116 6.2 Characterization 117 6.2.1 ICP-OES analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.2 SEM analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.3 Phase analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 118 6.2.4 Morphology of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 121 6.2.5 XPS investigation of the grown TiO2-SnO2 nanotubes 127 6.2.6 Raman spectroscopy of TiO2-SnO2 nanotubes 129 6.3 Electrochemical Testing 130 6.3.1 Cyclic voltammetry 130 6.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation132 6.3.3 Specific surface area of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes135 6.3.4 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and rate performance tests of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 137 6.4 Summary of chapter 6140 7. Summary and outlook 141 7.1 Summary 141 7.2 Outlook 143 Appendix 145 Bibliography 157 List of figures 183 Glossary 191 Publications 193 Curriculum vitae 195 Acknowledgment 199 Declaration 201 / Um die zur Aufrechterhaltung unserer modernen Lebensweise unabdingbaren erneuerbaren Energiequellen effizient nutzen zu können, werden hochentwickelte wiederaufladbare Batterien dringend benötigt. Lithium-Ionenbatterien gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte (sowohl gravimetrisch als auch volumetrisch), ihrer langen Lebensdauer, moderater Produktionskosten und aufgrund der Möglichkeit, vielfältige Konzepte einfach herstellen zu können, als vielversprechend. Dennoch müssen die Elektrodenmaterialien dringend verbessert werden, um den Ansprüchen an zukünftige hochentwickelte Lithium-Ionenbatterien gerecht zu werden. TiO2-basierte Anoden gelten aufgrund ihrer schnellen Lade- und Entladekinetik, ihres umweltfreundlichen Verhaltens und niedriger Kosten als aussichtsreiche Alternativen zu Kohlenstoffen. Durch die geringe Volumenänderung beim Lithiumeinbau (unter 4%) werden außerdem eine hohe strukturelle Stabilität und erhöhte Sicherheit gewährleistet. Die hauptsächlichen Herausforderungen stellen die niedrige ionische und elektrische Leitfähigkeit (≈ 10−12 S m−1) von TiO2 dar. Zusammengefasst liegt das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung, Optimierung und Herstellung neuartiger Anodenmaterialien für Lithium-Ionenbatterien unter Verwendung stabiler, verfügbarer und umweltfreundlicher Materialien. In dieser Arbeit wurden sowohl zweiphasiges Ti80Co20 und einphasige Ti-Sn-Legierungen (mit verschiedenen Sn-Gehalten zwischen 1 und 10 at-%) zur Herstellung hochgeordneter, vertikal orientierter eindimensionaler Nanoröhren aus gemischten Übergangsmetalloxiden (TiO2–CoO und TiO2–SnO2) mittels anodischer Oxidation in NH4F-haltigen organischen Elektrolyten genutzt. Dabei wurden Abhängigkeiten der Oberflächenmorphologie und der Stromdichte für die Bildung der Nanoröhren von der Kristallstruktur der zugrundeliegenden Legierung beobachtet. Vielfältige Methoden wie REM, EDXS, TEM, XPS und Ramanspektroskopie wurden genutzt, um die Nanoröhren zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass gemischte TiO2-CoO und TiO2-SnO2 Nanoröhren in den gewählten Spannungsfenstern erfolgreich gebildet werden konnten. Die so hergestellten Nanoröhren sind amorph und in ihren Dimensionen präzise durch die Wahl der Spannung einstellbar. Eine elektrochemische Beurteilung der Nanoröhren erfolgte durch Tests gegen eine Li/Li+-Elektrode bei veschiedenen Stromdichten. Die Resultate zeigen, dass TiO2-CoO-Nanoröhren, welche bei 60 V hergestellt wurden, die höchsten Flächenkapazitäten von ~ 600 µAh cm–2 (d.h. 315 mAh g–1) bei einer Stromdichte von 10 µA cm–2 aufweisen. Bei höheren Stromdichten zeigen TiO2-CoO-Nanoröhren nahezu verdoppelte Lithiuminterkalation und eine Coulomb-Effizienz von 96 % nach 100 Zyklen, verglichen mit weniger effektiven TiO2–Nanoröhren, welche unter identischen Bedingungen hergestellt wurden. Um die elektrochemischen Eigenschaften der TiO2-CoO-Nanoröhren weiter zu verbessern, wurde ein neuer Komposit aus Kohlenstoff-Nanoröhren und TiO2-CoO-Nanoröhren ((CNT)s@TiO2/CoO) durch eine zweistufige Synthese hergestellt. Die Herstellung beinhaltet zunächst die anodische Bildung geordneter TiO2/CoO-Nanoröhren, ausgehend von einer Ti-Co-Legierung, gefolgt von einem horizontalen Kohlenstoff-Nanoröhren-Wachstum auf dem Oxid mittels einer simplen Sprühpyrolyse. Die einzigartige 1D-Struktur einer solchen hybriden Nanostruktur mit eingebundenen CNTs zeigt deutlich erhöhte Flächenkapazitäten und Belastbarkeiten im Vergleich zu Nanoröhren aus TiO2 und TiO2/CoO-Nanoröhren ohne CNTs, die unter identischen Bedingungen getestet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die CNTs ein hochleitfähiges Netzwerk bilden, welches die Diffusion von Lithium-Ionen und deren Einbau in die TiO2/CoO-Nanoröhren begünstigt und somit hohe Kapazitäten und reproduzierbare hohe Belastbarkeiten bewirkt. Außerdem zeigen die Resultate, dass TiO2-SnO2 Nanoröhren, welche bei 40 V auf einer Ti-Sn-Legierung mit 1 at.% Sn hergestellt wurden, im Mittel eine 1,4-fache Erhöhung der Flächenkapazität und eine exzellente Zyklenstabilität über mehr als 400 Zyklen, verglichen mit unter identischen Konditionen hergestellten und getesteten TiO2-Nanoröhren, zeigen. Die Arbeit ist wie folgt organisiert: Kapitel 1: Allgemeine Einführung, in der die Energienachfrage und die Bedeutung von Lithium-Ionenbatterien in erneuerbaren Energiesystemen und tragbaren Geräten diskutiert wird. Eine kurze Einleitung zu TiO2-basierten Anoden in Lithium-Ionenbatterien und allgemeine Strategien zur Entwicklung von TiO2-Anoden werden ebenfalls gezeigt. Das Ziel der Arbeit und hauptsächliche Aufgaben werden zusammengefasst. Kapitel 2: Das grundlegende Konzept der Lithium-Ionenbatterie mit einem Überblick über ihre Hauptkomponenten wird diskutiert. Dies beinhaltet auch eine kurze Darstellung der Anodenmaterialien und der Kristallstruktur von TiO2-Anoden. Eine detaillierte Übersicht über TiO2-Nanomaterialien für LIB, welche Herstellungsmethoden und die elektrochemische Performance verschiedener TiO2-Nanostrukturen (Nanopartikel, Nanostäbe, Nanonadeln, Nanodrähte und Nanoröhren) und poröser TiO2-Nanostrukturen beinhaltet, wird gezeigt. Die Bildung von TiO2-Nanoröhren durch anodische Oxidation und der Wachstumsmechanismus werden hervorgehoben. Faktoren, welche die elektrochemische Performance anodisch hergestellter TiO2-Materialien, TiO2/Kohlenstoff-Komposite und TiO2 als Gemisch mit anderen Metalloxiden beeinflussen, werden diskutiert. Kapitel 3: In diesem Kapitel werden die Synthese von TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2/CoO und TiO2-SnO2-Nanoröhren, die Charakterisierungsmethoden, elektrochemische Grundlagen und Konzepte diskutiert. Kapitel 4: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der TiO2-CoO- Nanoröhren und der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden gezeigt. Kapitel 5: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden diskutiert. Kapitel 6: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance von TiO2-SnO2-Nanoröhren werden gezeigt. Kapitel 7: Eine Zusammenfassung der Resultate, die in dieser Arbeit gezeigt wurden und Schlussfolgerungen, sowie interessante Ansatzpunkte für zukünftige Arbeiten werden präsentiert.:1. Introduction and scope of the thesis 15 1.1 Batteries for renewable energy systems and portable devices 15 1.2 TiO2-based anodes in lithium ion batteries 17 1.3 Strategies for developing TiO2 anodes 17 1.4 Scope of work 19 1.5 Tasks 20 2. Basics and literature review 23 2.1 Lithium ion battery system 23 2.2 Anode materials 26 2.3 Crystal structure of TiO2 28 2.4 TiO2 nanomaterials for LIBs 30 2.4.1 TiO2 nanoparticles 30 2.4.2 TiO2 nanoneedles 36 2.4.3 Porous TiO2 nanostructures 39 2.5 TiO2 nanotubes prepared by electrochemical anodization 44 2.6 The mechanism of nanotube formation by anodic oxidation 47 2.7 Anodically fabricated TiO2 nanotubes as anodes in LIBs 49 2.7.1 Anodization electrolyte 50 2.7.2 Amorphous and crystalline TiO2 anodes 50 2.7.3 Influence of the nnealing atmospheres of TiO2 52 2.7.4 Free-standing TiO2 nanotube membranes 54 2.7.5 TiO2 nanotubes/carbon composites 55 2.7.6 Mixed oxide nanotubes 55 3. Materials and methods 61 3.1 Methodology 61 3.1.1 Synthesis of TiO2-CoO and TiO2 nanotubes 61 3.1.2 Synthesis of CNTs@TiO2-CoO NT composite 62 3.1.3 Synthesis of TiO2-SnO2 and TiO2 nanotubes 63 3.2 Characterization techniques 64 3.2.1 X-ray diffraction (XRD 64 3.2.2 Scanning electron microscopy (SEM 65 3.2.3 Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDXS 65 3.2.4 Transmission electron spectroscopy (TEM 66 3.2.5 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS 66 3.2.6 Raman spectroscopy 67 3.2.7 Nitrogen sorption isotherms 67 3.2.8 Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP–OES 68 3.3 Basic definitions and electrochemical concepts 68 3.3.1 Faraday’s law 68 3.3.2 Capacity 69 3.3.3 Discharging 69 3.3.4 Charging 69 3.4 Electrochemical techniques 70 3.4.1 Cyclic voltammetry 70 3.4.2 Galvanostatic discharging/charging cycling 70 3.4.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 71 3.5 Electrode preparation and measurement conditions 71 3.5.1 TiO2-CoO nanotube electrodes 71 3.5.2 CNTs@TiO2 and CNTs@TiO2/CoO NTs electrodes 72 3.5.3 TiO2-SnO2 nanotube electrodes 73 4. TiO2-CoO as anodes in lithium ion batteries 75 4.1 Introduction 76 4.2 Characterization 76 4.2.1 Phase identification of as cast Ti-Co alloy 76 4.2.2 Time-current density relationship 79 4.2.3 Morphology of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 81 4.2.4 Phase identification of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 85 4.2.5 Specific surface area of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 87 4.2.6 Chemical state in the grown TiO2-CoO nanotubes 89 4.2.7 Raman spectroscopy of TiO2-CoO nanotubes 91 4.3 Electrochemical testing of TiO2-CoO electrodes 92 4.3.1 Cyclic voltammetry 92 4.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 93 4.3.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 97 4.3.4 Structural stability TiO2-CoO anodes over cycling 98 4.4 Summary of chapter 4 99 5. Ternary CNTs@TiO2-CoO nanotube composites: improved anode materials for LIBs 101 5.1 Introduction 102 5.2 Characterization 103 5.2.1 Morphology and Raman analysis of the fabricated CNTs@TiO2-CoO NTs 103 5.2.2 XRD analysis of the fabricated TiO2-CoO NTs before and after CNTs coating 106 5.3 Electrochemical properties 107 5.3.1 Cyclic voltammetry 107 5.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 109 5.3.2 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 112 5.4 Summary of chapter 5 114 6. TiO2-SnO2 nanotubes as anodes in lithium ion batteries 115 6.1 Introduction 116 6.2 Characterization 117 6.2.1 ICP-OES analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.2 SEM analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.3 Phase analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 118 6.2.4 Morphology of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 121 6.2.5 XPS investigation of the grown TiO2-SnO2 nanotubes 127 6.2.6 Raman spectroscopy of TiO2-SnO2 nanotubes 129 6.3 Electrochemical Testing 130 6.3.1 Cyclic voltammetry 130 6.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation132 6.3.3 Specific surface area of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes135 6.3.4 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and rate performance tests of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 137 6.4 Summary of chapter 6140 7. Summary and outlook 141 7.1 Summary 141 7.2 Outlook 143 Appendix 145 Bibliography 157 List of figures 183 Glossary 191 Publications 193 Curriculum vitae 195 Acknowledgment 199 Declaration 201

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Since 1990s, rechargeable Li-ion batteries have been widely used in consumer electronics such as cell phones, global positioning systems (GPS), personnel digital assistants (PDA), digital cameras, and laptop computers. Recently Li-ion batteries received considerable attention as a major power source for electric vehicles. However, significant technical challenges still exist for widely deploying Li-ion batteries in electric vehicles. For instance, the energy density of Li-ion batteries is not high enough to support a long-distance commute. The Li-ion batteries used for the Nissan Leaf and Chevy Volt only can support 50 – 100 miles per charge. The cost of Li-ion battery packs in electric vehicles is still high. The battery pack for the Chevy Volt costs about $8,000, and the larger one in the Nissan Leaf costs about $12,000. To address these problems, new Li-ion battery electrode materials with high energy density and low cost should be developed. Among Li-ion battery cathode materials, vanadium pentoxide, V2O5, is one of the earliest oxides studied as a cathode for Li-ion batteries because of its low cost, abundance, easy synthesis, and high energy density. However, its practical reversible capacity has been limited due to its irreversible structural change when Li insertion is more than x = 1. Tremendous efforts have been made over the last twenty years to improve the phase reversibility of LixV2O5 (e.g., 0 ≤ x ≤ 2) because of vanadium pentoxides’ potential use as high capacity cathodes in Li-ion batteries. In this thesis, a new strategy was studied to develop vanadium pentoxide cathode materials with improved phase reversibility. The first study is to synthesize vanadium oxide cathodes via a new chemical route – creating a phase transformation from the vanadium sulfide to oxide. The β-Na0.33V2O5 was prepared via a new method of chemical synthesis, involving the chemical transformation of NaVS2 via heat-treatment at 600 °C in atmospheric air. The β-Na0.33V2O5 particles were well crystalized and rod-shaped, measuring 7–15 μm long and 1–3 μm wide with the formation of the crystal defects on the surface of the particles. In contrast to previous reports contained in the literature, Na ions were extracted, without any structural collapse, from the β -Na0.33V2O5 structure and replaced with Li ions during cycling of the cell in the voltage range, 1.5 V to 4.5 V. This eventually resulted in a fully reversible Li intercalation into the LixV2O5 structure when 0.0 ≤ x ≤ 2.0. The second study is to apply the synthesis method to LiVS2 for the synthesis of β׳-LixV2O5 for use as a high performance cathode. The synthesis method is based on the heat treatment of the pure LiVS2 in atmospheric air. By employing this method of synthesis, well-crystalized, rod-shaped β׳-LixV2O5 particles 20 – 30 μm in length and 3 – 6 μm in width were obtained. Moreover, the surface of β׳-LixV2O5 particles was found to be coated by an amorphous vanadium oxysulfide film (~20 nm in thickness). In contrast to a low temperature vanadium pentoxide phase (LixV2O5), the electrochemical intercalation of lithium into the β׳-LixV2O5 was fully reversible where 0.0 < x < 2.0, and it delivered a capacity of 310 mAh/g at a current rate of 0.07 C between 1.5 V and 4 V. Good capacity retention of more than 88% was also observed after 50 cycles even at a higher current rate of 2 C. The third study is the investigation of NaVS2 as a cathode intercalation material for sodium ion batteries. We have shown that reversible electrochemical deintercalation of x ~ 1.0 Na per formula unit of NaxVS2, corresponding to a capacity of ~200 mAh/g, is possible. And a stable capacity of ~120 mAh/g after 30 cycles was observed. These studies show that the new chemical synthesis route for creating a phase transformation from the vanadium sulfide to oxide by heat treatment in air is a promising method for preparing vanadium oxide cathode material with high reversibility. Although this sample shows a relatively low voltage range compared with other cathodes such as LiCoO2 (3.8 V) and LiFePO4 (3.4 V), the large capacity of this sample is quite attractive in terms of increasing energy density in Li-ion batteries. Also, NaVS2 could be a promising cathode material for sodium ion batteries.