Transporteigenschaften hierarchisch strukturierter Elektroden für Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien

Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, das Verständnis des Transportverhaltens in hierarchisch strukturierten Poren von Elektroden mit porösen Aktivmaterialpartikeln zu verbessern. Dies kann zur Entwicklung effizienter und leistungsfähiger Batterien beitragen. Charakteristischen Größen der Elektrode sind die Porosität und die Tortuosität der Porenstruktur als auch der Elektronentransport, der durch die Perkolation der Aktiv- und Inaktivmaterialien und deren elektrischen Leitfähigkeit bestimmt wird.

Zur Erhöhung der Schnellladefähigkeit können strukturierte Aktivmaterialpartikel eingesetzt werden, die eine offene Porosität besitzen und damit die Kontaktfläche zwischen Aktivmaterial und Elektrolyt deutlich vergrößern. ... mehrDie Verwendung solcher porösen Partikel erzeugt eine hierarchisch strukturierte Elektrode, bei der die Transportprozesse der Ionen in verschiedene Hierarchieebenen eingeteilt werden können. Das sind die Prozesse innerhalb eines Partikels auf Nano- und Mikrometerskala und auf Elektrodenebene auf der Größenordnung von Dekaden bis Hunderten von Mikrometern.

Das Ziel der Arbeit besteht darin, das Verständnis des Transportverhaltens in hierarchischen Porenstrukturen zu vertiefen. Wenn konventionelle, kompakte Partikel in Elektroden verwendet werden, entstehen primär monomodale Porenstrukturen. Der Durchmesser der Partikel beeinflusst über die intergranulare Porengröße die ionische Leitfähigkeit in der Pore. Die Parallelschaltung von Poren, wie sie in einer Elektrode auftreten, führt dazu, dass die Porenanzahl als einer der bestimmenden Parameter identifiziert wurde. Wird die Porengröße in einer Elektrode durch Verdichtung verringert, steigt der ionische Widerstand in der Porenstruktur an. Durch eine Nachbearbeitung von kompakten NCM111-Partikeln wurden sphärische, strukturierte und poröse NCM111-Partikeln erzeugt. Die so entstandene Porengrößenverteilung auf Elektrodenebene ist bimodal. Die Verdichtung der Elektrode mit porösen Partikeln führte zu einem steilen Anstieg der Tortuosität. Dies ist auf eine hoch verdichtete intragranulare Phase zurückzuführen. Im Vergleich zu den NCM111-Partikeln ist die intragranulare Porengröße bei nanoporösen NVP-Partikeln, die als Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt wurden, um eine Größenordnung geringer. Der extreme Größenunterschied zwischen inter- und intragranularen Poren führt zu einem fragmentierten Transportverhalten, das in einer Erweiterung des gängigen Impedanzmodells abgebildet wurde.

The results of this work contribute to improving the understanding of transport behavior in hierarchically structured pores of electrodes with porous active material particles. This can contribute to the development of efficient and powerful batteries. Characteristic sizes of the electrode are the porosity and the tortuosity of the pore structure as well as the electron transport, which is determined by the percolation of the active and inactive materials and their electrical conductivity.

To increase the fast charging capability, structured active material particles can be used, which have an open porosity and thus significantly increase the contact area between active material and electrolyte. ... mehrThe use of such porous particles creates a hierarchically structured electrode, in which the transport processes of the ions can be divided into different hierarchy levels. These are the processes within a particle on a nano- and micrometer scale and at the electrode level on the order of decades to hundreds of micrometers.

The aim of the work is to deepen the understanding of transport behavior in hierarchical pore structures. When conventional, compact particles are used in electrodes, primarily monomodal pore structures are created. The diameter of the particles influences the ionic conductivity in the pore via the intergranular pore size. The parallel connection of pores, as they occur in an electrode, has led to the identification of the number of pores as one of the determining parameters. If the pore size in an electrode is reduced by compaction, the ionic resistance in the pore structure increases. By post-processing compact NCM111 particles, spherical, structured and porous NCM111 particles were produced. The resulting pore size distribution at the electrode level is bimodal. The compaction of the electrode with porous particles led to a steep increase in tortuosity. This is due to a highly compacted intragranular phase. Compared to the NCM111 particles, the intragranular pore size in nanoporous NVP particles, which were developed as cathode materials for sodium-ion batteries, is an order of magnitude smaller. The extreme size difference between inter- and intragranular pores leads to a fragmented transport behavior, which was depicted in an extension of the common impedance model.