2D transition metal carbides and/or nitrides, so-called MXenes, are noted as ideal fast-charging cation-intercalation electrode materials, which nevertheless suffer from limited specific capacities. Herein, it is reported that constructing redox-active phosphorus−oxygen terminals can be an attractive strategy for Nb4C3 MXenes to remarkably boost their specific capacities for ultrafast Na+ storage. As revealed, redox-active terminals with a stoichiometric formula of PO2- display a metaphosphate-like configuration with each P atom sustaining three P-O bonds and one P=O dangling bond. Compared with conventional O-terminals, metaphosphate-like terminals empower Nb4C3 (denoted PO2-Nb4C3) with considerably enriched carrier density (fourfold), improved conductivity (12.3-fold at 300 K), additional redox-active sites, boosted Nb redox depth, nondeclined Na+-diffusion capability, and buffered internal stress during Na+ intercalation/de-intercalation. Consequently, compared with O-terminated Nb4C3, PO2-Nb4C3 exhibits a doubled Na+-storage capacity (221.0 mAh g-1), well-retained fast-charging capability (4.9 min at 80% capacity retention), significantly promoted cycle life (nondegraded capacity over 2000 cycles), and justified feasibility for assembling energy−power-balanced Na-ion capacitors. This study unveils that the molecular-level design of MXene terminals provides opportunities for developing simultaneously high-capacity and fast-charging electrodes, alleviating the energy−power tradeoff typical for energy-storage devices.

In dieser Arbeit wurden zwei Messaufbauten für die online Gasanalyse von elektrochemischen Reaktionen entwickelt und im Hinblick auf ihre Unterschiede und Gemeinsamkeiten sowie auf den Designprozess im Allgemeinen verglichen: Differenzielle elektrochemische Massenspektrometrie (DEMS) zur Untersuchung von Nebenreaktionen in Natriumionenbatterien (SIBs). Verschiedene Designansätze aus der Literatur wurden verglichen, um den für die Anwendung in SIBs am besten geeigneten zu finden. Danach wurde ein selbst entwickeltes Design implementiert und validiert. Für die Datenauswertung wird ein neuartiger Ansatz für DEMS in Alkaliionenbatterien vorgestellt, der eine interne Validierung der Ergebnisse ermöglicht. Eine Zusammenfassung der Literatur über bekannte Reaktionen, die zur Gasbildung in Alkali-Ionen-Batterien führen, wird als Referenz die Gasentwicklung in den in dieser Arbeit untersuchten Materialien herangezogen. Das System wird zur Messung der Gasentwicklung verschiedener Elektrodenmaterialien in Halbzellenkonfiguration und zur Bewertung des Zusammenspiels einiger Elektroden in Vollzellenkonfiguration verwendet. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um: Natrium-Mangan-Nickeloxid (NaMNO), Natrium-Vanadium-Phosphat (NVP), Preußisch Weiß (PW), Graphit und Hartkohlenstoff. Als Elektrolyte wurden überwiegend 1M NaPF6 in Diglyme (2G), bzw. Propylencarbonat (PC) verwendet. Das zweite System ist eine rotierende Scheibenelektrode in Verbindung mit Gaschromatographie (RDE-GC). Es wurde entwickelt, um kinetische Effekte bei der elektrokatalytischen CO2-Reduktion an Kupferelektroden zu untersuchen. Die Korrelation von Massentransporteigenschaften und der Gasproduktanalyse kann Aufschluss über die Massentransportabhängigkeit von Selektivität und Aktivität der Reaktion geben. Hier wird die Gasanalyse genutzt, um die elektrochemischen Daten in Teilstromdichten zu dekonvolutieren, die unter definierten Stofftransportbedingungen zur Bildung verschiedener Produkte führen. / In this thesis two independent measurement setups for online gas analysis, in electrochemical reactions are developed and compared in terms of their differences and similarities and on the design: Differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) for the investigation of side reactions in sodium-ion batteries (SIBs). Different design approaches from literature are evaluated to find the most suitable for the application in SIBs. After that a custom design is implemented and validated. A novel approach to DEMS in alkali-ion batteries for the data evaluation is presented, that enables internal verification of the results. Known reactions that lead to gas formation in alkali-ion batteries are reviewed form the literature, as a reference to discuss the gas evolution found in materials investigated. The system is used to measure the gas evolution of different electrode materials in half-cell configuration, and to evaluate the interplay of some of the electrodes in full-cell configuration. Materials that are studied are: sodium manganese nickel oxide (NaMNO), sodium vanadium phosphate (NVP), prussian white (PW), graphite and hard carbon. To do that two model electrolytes were selected 1M NaPF6 in diglyme (2G) and propylene carbonate (PC). The second system is a rotating disc electrode coupled with gas chromatography (RDE-GC). It is designed to study kinetic effects on the electrocatalytic CO2 reduction (CO2RR) on copper electrodes. The correlation of defined mass transport properties and gas product analysis can give insight into the mass transport dependencies on the selectivity and activity of the reaction. Here the gas analysis is used to deconvolute the electrochemical data into partial current densities, that lead to the formation of different products, under defined mass transport conditions. While some challenges remain, preliminary data that underlines the capability of such system as well as the findings on how to design such a system are presented.

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.

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