Hard Carbon Anode Materials for Sodium-ion Batteries

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

Lithium-ion batteries (LIBs) are one of the most important innovations within the last 30 years. Their success accelerated the development in many other industrial fields, such as mobile communication, personal computers, and electric vehicles. However, the massive demand of LIBs exerts high pressure on raw material supplies resulting in the price of lithium rapidly increasing. Thus, sodium, a much cheaper and more abundant element, becomes a reasonable and sustainable alternative to lithium for the large deployment of batteries for large-scale storage applications. Meanwhile, sodium ion batteries (SIBs) and LIBs share the same working principle, which makes the production of SIBs easy to scale-up to large volumes using the well-established LIB production technology.
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One of the remaining challenges for the SIBs commercialization is the lack of suitable materials for the negative electrode. Graphite, the most commonly used anode material in LIBs, shows poor electrochemical performance in SIBs. Hard carbon (non-graphizatible carbon) - especially the one derived from biomass waste - due to the relatively low cost and good electrochemical performance is the most promising anode material in SIBs. However, there are still challenges to be overcome for commercialization of hard carbon as anode in SIBs, including both the structural understanding and the Na+ storage mechanism.
In this thesis, three activities lines are pursued to understand the electrochemical performance of hard carbons in SIBs. First, the impact of the biomass precursors on the formed hard carbon is investigated to correlate the nature of the biomass waste with the performance of the resulting hard carbon as anode in SIBs. Second, the impact of porosity is investigated to reveal the importance and the correlation of the closed porosity on the electrochemical performance of hard carbons. Finally, the impact of the acid treatment, i.e., the biomass pre-treatment method, is studied to further understand the correlation between hard carbon structure and sodium storage mechanism. These studies aim to allow the synthesis of sustainable and low-cost hard carbon anode materials with good electrochemical performance for SIBs.