The importance of energy storage worldwide is increasing with the use of renewable energy sources and electric vehicles. With the intermittent nature of wind and solar power, large-scale grid storage is an extremely important progression needed to reduce the use of fossil fuels. For this to become a reality, rechargeable batteries beyond existing Li-ion technologies need consideration. The development of such batteries requires improvement of understanding their component materials. Modern computer modelling techniques enable valuable insights into the fundamental defect, ion transport and voltage properties of battery materials at the atomic level. Atomistic simulation and ab initio density functional theory (DFT) techniques have been used to study a number of potential cathode materials for Na-ion and Mg batteries. Firstly, the olivine and maricite forms of NaFePO4 are considered in terms of their defect formation energies and Na ion diffusion. The atomistic study indicates that anti-site disorder is the most favourable type of intrinsic defect. The activation energies for Na-ion migration in the olivine and maricite materials are 0.4 eV and 1.6 – 1.8 eV respectively. Moreover, molecular dynamics (MD) studies reveal that there is only substantial Na-ion diffusion in the olivine structure, with diffusion coefficients (DNa) at 300 K of 7 x 10−13 cm2s−1 for maricite and 4 x 10−9 cm2s−1 for olivine NaFePO4. The presence of anti-site defects is shown to decrease Na+ diffusion within the olivine structure, which is of relevance to its rate behaviour. Secondly, the effect of lattice strain on ion transport and defect formation in olivine-type LiFePO4 and NaFePO4 is investigated as a means to enhance their ion conduction properties. It is predicted that lattice strain can have a remarkable effect on the rate performance of olivine cathode materials, with a major increase in ionic conductivity and decrease in blocking defectsat room temperature. Thirdly, DFT techniques have been used to examinesurface and grain boundary formation in P2-NaCoO2. The coordination lossexperienced by ions present at surfaces is found to influence the resultingsurface energy. Layered oxide cathode materials were further investigated byconsidering the effect of Mg2+ doping on P2-Na2 [Ni1 Mn2 ]O2. Na vacancy 333formation energies decreased with 10% Mg2+ doping on the Ni site and an increase in Na diffusion was predicted with MD calculations. This positive effect on Na ion conductivity is caused by displacement of the Mg ions from the transition metal layer and the resulting change in electrostatic potential. Finally, Mg ion conduction, doping and voltage behaviour of MgFeSiO4 were studied. The Mg-ion migration activation energy is relatively low for an olivine-type silicate, and MD simulations predict a diffusion coefficient (DMg) of 10−9 cm2s−1, suggesting favourable electrode kinetics. Partial substitution of Fe by Co or Mn could increase the cell voltage from 2.3 V vs Mg/Mg2+ to 2.8 - 3.0 V.

This PhD work is dedicated to the discovery and study of new cathode materials for lithium-ion batteries. To obtain new materials, a well-known strategy based on ion-exchanging alkali metals within stable crystalline frameworks was used. Ion-exchange procedures between sodium and lithium ions were performed on known sodiated materials, NaMnTiO4 with the Na0.44MnO2 structure and NaFeTiO4 and Na2Fe3-xSn2xSb1-xO8 (0 ≤ x ≤ 1) with the calcium-ferrite structure. A combination of Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES), X-ray (XRD) and Neutron (NPD) diffractions was used to determine the crystal structure of the samples obtained via ion-exchange and confirmed that LiMnTiO4 and LiFeTiO4 and Li2Fe3-xSn2xSb1-xO8 (0 ≤ x ≤ 1) were obtained with a 1:1 ion-exchange between sodium and lithium. LiMnTiO4 has the orthorhombic Pbam space group, with a = 9.074(5), b = 24.97(1) and c = 2.899(2) Å. The shapes and dimensions of the channels are modified compared to NaMnTiO4, with displaced alkali metal positions and occupancies. LiMnTiO4 was cycled vs Li and up to 0.89 lithium ions can be reversibly inserted into the structure, with a discharge capacity of 137 mAh/g after 20 cycles at C/20 and room temperature. At 60°C, all the lithium is removed at the end of the first charge at C/20, with subsequent cycles showing reversible insertion of 1.06 Li-ions when cycled between 1.5 and 4.6 V. The electrochemistry of calcium-ferrite LiFeTiO4 and Li2Fe3SbO8 was investigated in half cells versus lithium and up to 0.63 and 1.35 lithium ions can be reversibly inserted into the structure after 50 cycles at a C/5 rate, respectively. LiFeTiO4 showed good cyclability with no capacity fade observed after the second cycle while Li2Fe3SbO8 exhibited a constant capacity fade with a 60 % capacity retention after the 50th cycle. Doping Li2Fe3SbO8 with tin reduces the capacity. However, the capacity retention is significantly enhanced. For Li2Fe2.5Sb0.5SnO8 after 20 cycles at C/5, the capacity is stable and comparable with that observed for Li2Fe3SbO8 after the same number of cycles. Using ion-exchange procedures has allowed new metastable materials to be obtained which have the potential to be used as cathodes in lithium-ion batteries. Doping these families of materials with different atoms has been shown to improve their electrochemical performance. Ex situ XRD was used to demonstrate that the original structures of LiMnTiO4, LiFeTiO4 and Li2Fe3SbO8 are retained during cycling. The volume change observed for Li2Fe3SbO8 upon delithiation was particularly noteworthy with a small decrease of 0.9 % at the end of charge when cycled at C/100 and room temperature, indicating structural stability upon lithium insertion/de-insertion.

The demand for Lithium-ion batteries (LIBs) has been growing exponentially in recent years due to the proliferation of electric vehicles (EV). A large amount of lithium-ion batteries are expected to reach their end-of-life (EOL) within five to seven years. The improper disposal of EOL lithium-ion batteries generates enormous amounts of flammable and explosive hazardous waste. Therefore, cost-effectively recycling LIBs becomes urgent needs. Lithium nickel cobalt manganese oxides (NCM) are one of the most essential cathode materials for EV applications due to their long cycle life, high capacity, and low cost. In 2008, 18.9% of Lithium-ion batteries used NCM cathode material worldwide while this number increased to 31% six years later. An environment–friendly and low-cost direct recycling process for NCM has been developed in this project. The goal of this project is to recycle the EOL NCM and yield battery-grade NCM with equivalent electrochemical performance compared to virgin materials. In order to achieve this goal, four different heat treatment conditions are investigated during the direct recycling process. From the experimental results, the charge and discharge capacities of the recycled material are stable (between 151-155 mAh/g) which is similar to that of the commercial MTI NCM when sintered at 850 °C for 12 hours in the air. In addition, the cycling performance of recycled NCM is better than the commercial MTI NCM up to 100 cycles. / Master of Science / The demand for Lithium-ion batteries has been growing exponentially in recent years due to the proliferation of electric vehicles. A large amount of lithium-ion batteries are expected to reach their end-of-life within five to seven years. The improper disposal of end-of-life lithium-ion batteries generates enormous amounts of flammable and explosive hazardous waste. Therefore, cost-effectively recycling Lithium-ion batteries becomes urgent needs. Lithium nickel cobalt manganese oxides are one of the most essential cathode materials for electric vehicles applications due to their long cycle life, high capacity, and low cost. In 2008, 18.9% of Lithium-ion batteries used Lithium nickel cobalt manganese oxides cathode material worldwide while this number increased to 31% six years later. An environment–friendly and low-cost direct recycling process for Lithium nickel cobalt manganese oxides material has been developed in this project. The goal of this project is to recycle the end-of-life manganese oxides cathode material. In order to achieve this goal, four different heat treatment conditions are investigated during the direct recycling process. From the experimental results, the cycling performance of recycled NCM is better than the commercial MTI NCM.

No description available.

Electrochemical behavior of electrolytic manganese dioxide (EMD), chemically prepared battery grade manganese dioxide (BGM), titanium dioxide (TiO2), lithium iron phosphate (LiFePO4) and lithium manganese phosphate (LiMnPO4) in aqueous lithium hydroxide electrolyte has been investigated. These materials are commonly used as cathodes in non-aqueous electrolyte lithium batteries. The main aim of the work was to determine how the electroreduction/oxidation behavior of these materials in aqueous LiOH compares with that reported in the literature in non-aqueous electrolytes in connection with lithium batteries. An objective was to establish whether these materials could also be used to develop other battery systems using aqueous LiOH as electrolyte. The electrochemical characteristics of the above materials were investigated by subjecting them to slow scan cyclic voltammetry and determining the charge/discharge characteristics of Zn/cathode material-aqueous LiOH batteries. The products of electroreduction/oxidation were characterized by physical techniques using X-ray diffraction (XRD), scanning electron micrography (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), secondary ion mass spectrometry (SIMS), Thermogravimetric analysis (TG) and infra-red spectrometry (IR). The reduction of ã-MnO2 (EMD) in aqueous lithium hydroxide electrolyte is found to result in intercalation of Li+ into the host structure of ã-MnO2. The process was found to be reversible for many cycles. This is similar to what is known to occur for ã-MnO2 in non-aqueous electrolytes. The mechanism, however, differs from that for reduction/oxidation of ã-MnO2 in aqueous potassium hydroxide electrolyte. KOH electrolyte is used in the state-of-art aqueous alkaline Zn/MnO2 batteries. Alkaline batteries based on aqueous KOH as the electrolyte rely upon a mechanism other than K+ intercalation into MnO2. This mechanism is not reversible. This is explained in terms of the relative ionic sizes of Li+ and K+. The lithium-intercalated MnO2 lattice is stable because Li+ and Mn4+ are of approximately the same size and hence Li+ is accommodated nicely into the host lattice of MnO2. The K+ ion which has almost double the size of Li+ cannot be appropriately accommodated into the host structure and hence the K+ -intercalated MnO2 phase is not stable. Chemically prepared battery grade MnO2 (BGM) is found to undergo electroreduction/oxidation in aqueous LiOH via the same Li+ intercalation mechanism as for the EMD. While the Zn/BGM- aqueous LiOH cell discharges at a voltage higher than that for the Zn/EMD- aqueous LiOH cell under similar conditions, the rechargeability and the material utilization of the BGM cell is poorer. The cathodic behavior of TiO2 (anatase phase) in the presence of aqueous LiOH is not reversible. In addition to LiTiO2, Ti2O3 is also formed. The discharge voltage of the Zn/TiO2- aqueous LiOH cell and material utilization of the TiO2 as cathode are very low. Hence TiO2 is not suitable for use in any aqueous LiOH electrolyte battery. LiFePO4 (olivine-type structure) as a cathode undergoes electrooxidation in aqueous LiOH forming FePO4. However the subsequent reduction forms not only the original LiFePO4 but also Fe3O4. Thus the process is not completely reversible and hence LiFePO4 is not a suitable material for use as a cathode in aqueous battery systems. LiMnPO4 (olivine-type structure) undergoes reversible electrooxidation in aqueous LiOH forming MnPO4. The charge/discharge voltage profile of the Zn/MnPO4-aqueous LiOH cell, its coulombic efficiency and rechargeability are comparable to that of the cell using ã-MnO2. EMD and LiMnPO4 both have the potential for use in rechargeable batteries using aqueous LiOH as the electrolyte. Recommendations for further developmental work for such batteries are made.

Layered lithium transition metal oxides represent a major type of cathode materials that are widely used in commercial lithium-ion batteries. Nevertheless, these layered cathode materials suffer structural changes during electrochemical cycling that could adversely affect the battery performance. Clear explanations of the cathode degradation process and its initiation, however, are still under debate and are not yet fully understood. In this thesis, the cycling-induced chemical and structural evolution of LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC) and high-energy Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2 (HENMC) cathodes are investigated in details using state-of-the-art electron microscopy techniques combined with other bulk measurements to uncover the mechanisms at the source of cell deterioration. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

This master's thesis deals with a topic of determination of the most suitable ratio of cathode materials for the lithium-sulfur systems. The first two chapters provide a general introduction to the topic of electrochemical energy sources and present the commonly used primary and secondary battery systems with emphasis on their characteristics and applications. The core of the theoretical part is dedicated to lithium-ion and lithium-sulfur batteries, their working principles along with the benefits or drawbacks related to the particular systems, and widely used materials. The experimental part briefly comments on determining the suitable electrode paste preparation method, the subsequent main part is focused on evaluation of electrochemical performance of cells using different ratios of cathode materials. Five samples of cathode materials were prepared, where the sulfur ratio is in range from 64 to 88 wt. %. Finally, the comparison of all prepared ratios in terms of their electrochemical properties is provided.

Die zunehmenden Leistungsanforderungen an Energiespeichersysteme, insbesondere die Energiedichte betreffend, führen dazu, dass der Bedarf durch die am häufigsten verwendete Lithium-Ionen-Technologie bald nicht mehr bedient werden kann. Unter den Batterietechnologien der nächsten Generation zeigt die Lithium-Schwefel-(Li-S)-Batterie ein großes Potenzial. Jedoch verhindern die technologischen Herausforderungen der Li-S-Zellchemie (z. B Anodenkorrosion, Elektrolytzersetzung oder Polysulfid-Shuttle) eine breite Kommerzialisierung. Zusätzlich liegen die praktisch erreichbaren gravimetrischen Energiedichten noch weit unter den theoretischen Werten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene poröse Kohlenstoffe und kovalente Triazin Netzwerke (covalent triazine framework - CTF) zu Schwefelkathoden verarbeitet und in unterschiedlichen Elektrolytsystemen elektrochemisch analysiert. Ein Ziel dieser Arbeit war es, ein skalierbares N-dotiertes Kathodenmaterial für den Einsatz in Prototypzellen zu entwickeln. Weiterhin wurde der Einfluss der Kohlenstoffporosität in unterschiedlichen Elektrolytsystemen diskutiert. Es wurde erfolgreich eine skalierbare, post-synthetische Imprägnierungsroute entwickelt, um N-dotierte Kohlenstoffe aus kommerziellen Kohlenstoffmaterialien und Melamin herzustellen. Mit Hilfe des Veredelungsprozesses wurde erstmals ein N-dotierter Kohlenstoff aus einem porösen Ruß (Ketjenblack) im größeren Maßstab (~100 g) hergestellt und erfolgreich zu doppelseitigen Li-S-Kathoden verarbeitet. Sowohl die galvanostatischen Ergebnisse (vs. Li/Li+) als auch die Analyse im symmetrischen Zellaufbau (S8 vs. Li2S) zeigten den positiven Einfluss der N-Dotierung auf die Lebensdauer der Knopfzellen. Trotz des geringen Stickstoffgehalts von 1,08 Gew.% im N-Dotierten Kathodenmaterial erzielte die fünflagige Demonstratorzelle eine gravimetrische Energiedichte von 238 Wh kg-1 (~1,30 Ah) und eine erhöhte Zyklenstabilität gegenüber dem undotierten Referenzmaterial. Somit wurde zum ersten Mal der positive Effekt der N-Dotierung erfolgreich von der Knopfzelle auf die Pouchzelle übertragen. Als alternatives N-dotiertes Kathodenmaterial erlangten kovalente Triazin Netzwerke große Aufmerksamkeit. Allerdings hat die Charakterisierung von CTF-Kathoden mit kovalent gebundenem Schwefel gezeigt, dass zuvor berichtete Vorteile dieser Gerüststrukturen überdacht werden müssen. Anhand der elektrochemischen Ergebnisse im carbonatbasierten LP30-Elektrolyten wurde geschlussfolgert, dass CTF-Materialien im Gegensatz zum literaturbekannten Referenzsystem S-PAN einen anderen Umwandlungsmechanismus durchlaufen. Die Charakterisierung im DME/DOL-Elektrolyten zeigte, dass die Synthesetemperatur und damit die Leitfähigkeit der CTF-Materialien einen deutlich größeren Einfluss auf die Zellperformance hat als bisher in der Literatur angenommen. Vielmehr haben die Ergebnisse darauf hingedeutet, dass der Umwandlungsmechanismus wahrscheinlich über das leitfähige Kohlenstoffadditiv (Ketjenblack) abläuft und das CTF-Material eher als Wirtsstruktur für Polysulfide bzw. den Elektrolyten fungiert. Ein anderer Forschungszweig beschäftigt sich mit dem Einschluss von Schwefel in Poren, da die eingeschlossenen Schwefelspezies im carbonatbasierten Elektrolyten betrieben werden können. Die Ausbildung einer schützenden Passivierungsschicht auf der Kathodenoberfläche (cathodic electrolyte interface – CEI) realisiert die Quasi-Festkörperumwandlung des Schwefels. Es wurden verschiedene mikroporöse Modellkohlenstoffe und ein mesoporöser Ruß als Schwefelkathoden im carbonatbasierten LP30-Elektrolyten untersucht. Obwohl die Komposite nach einem Verdampfungsschritt bei 300 °C geringe Schwefelgehalte (22 Gew.% und 30 Gew.%) aufwiesen, wurden stabile Zellperformances bis zu 200 Zyklen sowie der Quasi-Festkörperkonversionsmechanismus beobachtet. Außerdem zeigten die elektrochemischen Analysen die Ausbildung einer schützenden CEI-Schicht auf der Kathodenoberfläche. Für das schmelzinfiltrierte mesoporöse KB/S-Komposit wurde nahezu keine Schwefelausnutzung beobachtet, da wahrscheinlich keine geschlossene CEI-Schutzschicht ausgebildet wurde. Dagegen zeigten die schmelzinfiltrierten mikroporösen C/S-Proben nach einem höheren initialen Kapazitätsverlust eine moderate Schwefelausnutzung. Weiterhin wurde mit Hilfe von Röntgenabsorptionsspektroskopie (X-ray absorption spectroscopy – XAS) die Natur der adsorbierten Schwefelmoleküle analysiert. Die XAS-Ergebnisse deuteten darauf hin, dass, wenn überhaupt, nur ein kleiner Anteil des Aktivmaterials als kurzkettige Schwefelspezies (S2, S4) in den Mikroporen vorliegt. Dennoch wurden erstmals Aussagen zur chemischen Umgebung von eingeschlossenen Schwefelspezies in Mikroporen gemacht. Somit konnte geschlussfolgert werden, dass die Hauptrolle der mikroporösen Kohlenstoffmatrix (dp < 2 nm) darin besteht, die Ausbildung einer geschlossenen schützenden CEI-Schicht auf den Kohlenstoffpartikeln zu ermöglichen, anstatt kurzkettige Schwefelspezies im Inneren als notwendige Voraussetzung für den reversiblen Betrieb bereitzustellen. Die Entwicklung von innovativen Elektrolyten mit reduzierter Polysulfid-Löslichkeit ist ein weiterer Lösungsansatz, um höhere Energiedichten in Prototypzellen zu realisieren. Um den Einfluss der Gerüstporosität (Mikroporen, Mesoporen, hierarchische Poren) auf den modifizierten Konversionsmechanismus zu untersuchen, wurden verschiedene poröse Kohlenstoffmaterialien mit variierendem Porenvolumen als Schwefelkathoden in zwei Elektrolyten mit geringer Polysulfid-Löslichkeit (TMS/TTE & HME/DOL) evaluiert. Die mikroporösen Elektroden zeigten im TMS/TTE-Elektrolyten ein zusätzliches drittes Entladungsplateau, welches durch den Quasi-Festkörpermechanismus hervorgerufen wird. Dieses Phänomen wurde zuvor noch nicht für den TMS/TTE-Elektrolyten beschrieben. In den elektrochemischen Ergebnissen wurde die Bildung einer CEI-Schicht beobachtet, die aus der Zersetzung des TTE-Lösungsmittels an der Kohlenstoffoberfläche resultiert. Für die weiteren untersuchten Kohlenstoffe konnte ein kombinierter Reaktionsmechanismus aus fest-flüssig-fest sowie quasi-fest-zu-fest Umwandlung nicht ausgeschlossen werden, wobei vorwiegend die gewöhnliche fest-flüssig-fest Schwefelkonversion beobachtet wurde. Für den HME/DOL-Elektrolyten konnte aufgrund der eingeschränkten Polysulfid-Löslichkeit ebenfalls eine Kombination aus der fest-flüssig-fest Schwefelkonversion und dem Quasi-Festkörpermechanismus angenommen werden. Im Vergleich zum TMS/TTE-System scheint jedoch eine abgewandelte Form der quasi-fest-zu-fest Umwandlung stattzufinden, da sich die Spannungsprofile deutlich unterscheiden und keine CEI-Ausbildung festgestellt wurde. Vermutlich beeinflusst die Kohlenstoffporosität den gehinderten Massentransport während der Schwefelumsetzung im HME/DOL-Elektrolyten. Zusammenfassend wurden neue mechanistische Einblicke für den Betrieb von Li-S-Batterien gewonnen, bei denen Elektrolyte mit geringer Polysulfid-Löslichkeit angewendet werden.:Abkürzungsverzeichnis I 1 Einleitung und Motivation 1 2 Theorie und Stand der Forschung 6 2.1 Thermodynamische Grundlagen 6 2.2 Definitionen wichtiger Batteriekenngrößen 8 2.2.1 Einfluss von Überspannungseffekten 8 2.2.2 Einführung der spezifischen Kapazität und Energiedichte 11 2.2.3 Einführung der C-Rate und der Coulomb-Effizienz 12 2.2.4 Einführung des Spannungsprofils und der Zyklenstabilität 12 2.3 Die Lithium-Schwefel-Batterie 13 2.3.1 Der grundsätzliche Reaktionsmechanismus der Li-S-Batterie 13 2.3.2 Herausforderungen der Li-S-Technologie 19 2.3.3 Elektrolyte für die Li-S-Batterie 22 2.3.4 Überblick über die Anoden- und Separator-Entwicklung im Li-S-System 31 2.3.5 Überblick über die Kathodenentwicklung in Li-S-Batterien 37 2.4 Charakterisierungsmethoden 47 2.4.1 Stickstoff-Physisorption 47 2.4.2 Elektrochemische Charakterisierung 52 3 Experimenteller Teil 56 3.1 Verwendete Chemikalien 56 3.2 Kohlenstoffsynthesen 58 3.2.1 Synthese von hierarchisch porösen Kohlenstoffen (HPC) 58 3.2.2 Synthese von TiC-CDC 59 3.2.3 Stickstoffdotierung von Kohlenstoffen 59 3.3 Synthese der Kohlenstoff/Schwefel-Komposite 61 3.3.1 Verdampfungsprozess bei 300 °C 61 3.4 Elektrodenherstellung 62 3.4.1 Kohlenstoff/Schwefel-Kathoden 62 3.4.2 Kovalent-Triazin-Netzwerk-Kathoden 62 3.5 Elektrolytherstellung 63 3.6 Einlegetest im Elektrolyten 64 3.7 Strukturelle Charakterisierungsmethoden 64 3.7.1 Stickstoff-Physisorption 64 3.7.2 Wasser-Physisorption 65 3.7.3 Thermogravimetrische Analysen 65 3.7.4 Elementaranalysen 65 3.7.5 Raman Spektroskopie 65 3.7.6 Pulver-Widerstandsmessung 65 3.7.7 Rasterelektronenmikroskopie 66 3.7.8 Transmissionselektronenmikroskopie 66 3.7.9 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 66 3.7.10 Röntgenabsorptionspektroskopie 67 3.8 Elektrochemische Charakterisierung 68 3.8.1 Elektrochemische Analyse in Knopfzellen 68 3.8.2 Elektrochemische Analyse in Pouchzellen 72 4 Auswertung und Diskussion 73 4.1 Thermische Veredelung von porösen Kohlenstoffmaterialien 73 4.1.1 Funktionalisierung des porösen Rußes Ketjenblack mit Melamin 73 4.1.2 Funktionalisierung von weiteren porösen Kohlenstoffmaterialien 94 4.2 Kovalente Triazin-Netzwerke als Li-S-Kathoden 102 4.2.1 Diskussion der mechanistischen Rolle von CTF-Materialien in Li-S-Kathoden 103 4.2.2 Elektrochemische Charakterisierung der S@CTF-Kathoden 105 4.3 Die Rolle der Kohlenstoffporosität bei der Ausbildung einer kathodischen Passivierungsschicht in Li-S Zellen 112 4.3.1 Materialcharakterisierung der mikroporösen Kohlenstoffe 114 4.3.2 Elektrochemische Charakterisierung in Knopfzellen vs. Li/Li+ 120 4.4 Der Einfluss der Kohlenstoffporosität auf die Schwefelumsetzung bei Anwendung von Elektrolyten mit geringer Polysulfid-Löslichkeit 130 4.4.1 Materialcharakterisierung der verschiedenen porösen Kohlenstoffe 131 4.4.2 Stabilitätstest der Li-S-Kathoden in verschiedenen Elektrolyten 136 4.4.3 Voruntersuchungen der Kathodenmaterialien im DME/DOL-Standardelektrolyten (vs. Li/Li+) 140 4.4.4 Elektrochemische Evaluierung im TMS/TTE Elektrolyten (vs. Li/Li+) 146 4.4.5 Elektrochemische Evaluierung im HME/DOL Elektrolyten (vs. Li/Li+) 157 5 Zusammenfassung und Ausblick 166 6 Anhang 171 7 Literaturverzeichnis 184 8 Abbildungsverzeichnis 194 9 Tabellenverzeichnis 200 10 Wissenschaftliche Beiträge 201 11 Eidesstattliche Erklärung 203

Ziel dieser Arbeit war es, das LISICON Li3Cr2(PO4)3 als einen Kandidaten für Hochvoltkathodenmaterialien eingehend zu charakterisieren. Dabei lag der Schwerpunkt auf den strukturellen in situ Untersuchungen mittels Synchrotronstrahlung und der Aufdeckung etwaiger limitierender Prozesse. Für diese Arbeit wurde der neue Messplatz P02.1 an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III, DESY Hamburg für in situ Batterieuntersuchungen evaluiert. In Abhängigkeit von der 2D-Detektorposition können maximale q-Bereiche von bis zu 35 Å-1 oder instrumentelle Auflösungen bis zu 0,0055 Å-1 erzielt werden. Hervorzuheben ist außerdem die zeitliche Auflösung von minimal 130 ms je Diffraktogramm. Mittels galvanostatischen Messungen eines Li3Cr2(PO4)3-haltigen Komposits (80 % (w/w) Aktivmaterial) konnten zwei Lade- und ein Entlademaximum zwischen 4,7 V und 4,9 V vs. Li+/Li nachgewiesen werden. Jedoch beträgt die Coulomb-Effizienz lediglich 60 % (bei 60 mAh/g oxidativer Ladungsmenge). Eine maximale Coulomb-Effizienz von ca. 80 % wurde bei niedrigeren Temperaturen um den Gefrierpunkt gemessen. Neben strukturellen Änderungen ist eine Elektrolytzersetzung nicht auszuschließen, wobei eine mittels XPS nachgewiesene Grenzschicht zwischen Kathode und Elektrolyt diesen vor einer übermäßigen Reaktion zu schützen scheint. Erstmalig ließ sich mittels der Photoelektronenspektroskopie das aktive Redoxpaar Cr4+/Cr3+ in einer Phosphatmatrix nachweisen. Wie die in situ Untersuchungen zeigen, scheint dies mit der Bildung von Chrom-Sauerstoff-Doppelbindungen einherzugehen. Sowohl sich gegenläufig entwickelnde transständige Chromsauerstoffabstände als auch die Verringerung der Phosphorbesetzungszahlen sind starke Indizien für diese neuartige oktaedrische Koordination des Chroms. Diese als sehr stabil einzuschätzende Chromylverbindung, eine nachgewiesene stark anisotrope Kontraktion der Einheitszelle und mittels REM erkennbare Risse in den aktiven LISICON-Kristalliten werden als Hauptursachen für die relativ geringe De- und Reinterkalierbarkeit von Lithium in die Struktur des hier untersuchten Li3Cr2(PO4)3 angesehen.:I Einleitung und Grundlagen 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Elektrochemische Grundlagen 2.1.1 Prinzip und Elektrodenmaterialien einer Lithiumionenbatterie 2.1.2 Grundlegende elektrochemische Gesetze und Größen 2.1.3 Elektrochemische Methoden 2.2 Strukturmodellverfeinerung 2.2.1 Lage und Intensität von Bragg-Reflexen 2.2.2 Rietveld-Methode 2.2.3 Profilfunktion 2.2.4 Fehlerbetrachtung 2.2.5 Beschränkung verfeinerter Parameter II Untersuchte Materialien und experimentelle Aufbauten 3 Die monokline Struktur und Eigenschaften von Li3Cr2(PO4)3 4 Charakterisierungsmethoden und experimentelle Aufbauten 4.1 Elektrochemie 4.2 Photoelektronenspektroskopie 4.3 Rasterelektronenmikroskopie III Evaluierung eines neuen in situ-Diffraktionsmessplatzes 5 Strahlquellen zur in situ-Charakterisierung von Batteriematerialien 5.1 Vom Labordiffraktometer zum Synchrotron 5.2 Messplätze am DESY Hamburg 6 Aufbau des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 6.1 Diffraktometer und Zellhalter 6.2 Entwicklung einer neuen in situ-Messzelle 6.3 Programme zum Auswerten von 2D-Diffraktogrammen 7 Leistungsfähigkeit des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 7.1 Elektrochemische Funktionalität des neuen Zelldesigns 7.2 In situ-Synchrotron-Pulver-Diffraktion mit dem neuen Messaufbau 7.3 Beiträge zum Untergrund 7.4 Zeitauflösung und Diffraktogrammqualität 7.5 Detektierbarer q- bzw. 2 -Bereich 7.6 Instrumentelle Auflösung IV Untersuchungen am System Li3Cr2(PO4)3 8 Elektrochemisches Verhalten von Li3Cr2(PO4)3 8.1 Einfluss der Ladeschlussspannung und des Lithiumumsatzes 8.2 Einfluss des Lade- bzw. Entladestroms 8.3 Einfluss der Temperatur 9 Photoelektronenspektroskopische Charakterisierung der Chrom-Valenzzustände 9.1 Spektren des Ausgangszustands und Energiekalibrierung 9.2 Charakterisierung der oxidierten Zustände 10 Rasterelektronenmikroskopische Morphologieuntersuchungen 10.1 REM-Aufnahmen des Ausgangszustands 10.2 REM-Aufnahmen des oxidierten Zustands 10.3 Diskussion zur kritischen Kristallitgröße 11 In situ-Strukturuntersuchung 11.1 Elektrochemisches Verhalten in der in situ-Zelle 11.2 Strukturmodell des Ausgangszustands 11.3 Strukturmodellauswahl für die oxidierten Zustände 11.4 Entwicklung der Gitterparameter 11.5 Entwicklung der Atomkoordinaten und Besetzungszahlen 11.6 Mikrostrukturausbildung und Gleitebenen V Zusammenfassung und Ausblick / Aim of this work is the investigation of a compound of the LISICON family Li3Cr2(PO4)3 as a high voltage cathode material in lithium ion batteries. This thesis focuses on the monitoring of structural fatigue mechanisms using synchrotron radiation. A new in situ experimental setup at the beamline P02.1 (PETRA III, DESY Hamburg) was evaluated. In dependence on the 2D detector position either a q-range of 35 Å-1 or an instrumental resolution of 0.0055 Å-1 were determined. A time resolution of 130 ms per diffractogram with still outstanding signal statistics shall be pointed out. By galvanostatic cycling of a Li3Cr2(PO4)3-composite (80 % (w/w) active material) partially reversible redox behavior at 4.7 V and 4.9 V vs. Li+/Li was demonstrated. A coulombic efficiency of 60 % (at 60 mAh/g oxidative charge amount) was measured at room temperature. It can be increased to 80 % at 0 °C. Electrolyte decomposition has to be considered as one possible reason for the limited electrochemical reversibility. A solid electrolyte interface, which was proven by XPS measurements, seems to protect the electrolyte against further decomposition. For the first time, the active redox pair Cr4+/Cr3+ in a phosphate matrix was proven by XPS. Most likely this behavior is accompanied by the formation of chromium-oxygen double bonds, as derived from the in situ synchrotron XRD data. Both an opposing trend in trans-positioned chromium-oxygen bond distances and the less occupied phosphorus positions give strong hints on this octahedral coordination of chromium. The chromyl group is estimated as strong bond and therewith the strongly anisotropic contraction of the unit cell and the formation of visible cracks (as found REM) in the active crystals are indicated as further reasons for the limited electrochemical reversibility for Li-intercalation and deintercalation of the investigated Li3Cr2(PO4)3.:I Einleitung und Grundlagen 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Elektrochemische Grundlagen 2.1.1 Prinzip und Elektrodenmaterialien einer Lithiumionenbatterie 2.1.2 Grundlegende elektrochemische Gesetze und Größen 2.1.3 Elektrochemische Methoden 2.2 Strukturmodellverfeinerung 2.2.1 Lage und Intensität von Bragg-Reflexen 2.2.2 Rietveld-Methode 2.2.3 Profilfunktion 2.2.4 Fehlerbetrachtung 2.2.5 Beschränkung verfeinerter Parameter II Untersuchte Materialien und experimentelle Aufbauten 3 Die monokline Struktur und Eigenschaften von Li3Cr2(PO4)3 4 Charakterisierungsmethoden und experimentelle Aufbauten 4.1 Elektrochemie 4.2 Photoelektronenspektroskopie 4.3 Rasterelektronenmikroskopie III Evaluierung eines neuen in situ-Diffraktionsmessplatzes 5 Strahlquellen zur in situ-Charakterisierung von Batteriematerialien 5.1 Vom Labordiffraktometer zum Synchrotron 5.2 Messplätze am DESY Hamburg 6 Aufbau des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 6.1 Diffraktometer und Zellhalter 6.2 Entwicklung einer neuen in situ-Messzelle 6.3 Programme zum Auswerten von 2D-Diffraktogrammen 7 Leistungsfähigkeit des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 7.1 Elektrochemische Funktionalität des neuen Zelldesigns 7.2 In situ-Synchrotron-Pulver-Diffraktion mit dem neuen Messaufbau 7.3 Beiträge zum Untergrund 7.4 Zeitauflösung und Diffraktogrammqualität 7.5 Detektierbarer q- bzw. 2 -Bereich 7.6 Instrumentelle Auflösung IV Untersuchungen am System Li3Cr2(PO4)3 8 Elektrochemisches Verhalten von Li3Cr2(PO4)3 8.1 Einfluss der Ladeschlussspannung und des Lithiumumsatzes 8.2 Einfluss des Lade- bzw. Entladestroms 8.3 Einfluss der Temperatur 9 Photoelektronenspektroskopische Charakterisierung der Chrom-Valenzzustände 9.1 Spektren des Ausgangszustands und Energiekalibrierung 9.2 Charakterisierung der oxidierten Zustände 10 Rasterelektronenmikroskopische Morphologieuntersuchungen 10.1 REM-Aufnahmen des Ausgangszustands 10.2 REM-Aufnahmen des oxidierten Zustands 10.3 Diskussion zur kritischen Kristallitgröße 11 In situ-Strukturuntersuchung 11.1 Elektrochemisches Verhalten in der in situ-Zelle 11.2 Strukturmodell des Ausgangszustands 11.3 Strukturmodellauswahl für die oxidierten Zustände 11.4 Entwicklung der Gitterparameter 11.5 Entwicklung der Atomkoordinaten und Besetzungszahlen 11.6 Mikrostrukturausbildung und Gleitebenen V Zusammenfassung und Ausblick