Published November 17, 2021 | Version v1
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Effect of morphology and functionalization on the electrochemical properties of oxide anode materials for lithium-ion batteries

Description

In the present thesis, potential anode materials for lithium-ion batteries are studied with respect to their physical and electrochemical properties. The focus is on the relationship between particle size, morphology, functionalization and electrochemical properties. In this context, the intercalation material Li3VO4, the conversion-based transition metal oxides MoO2, V2O3, CoFe2O4 and Mn3O4 as well as ZnO as a representative of the alloy-forming materials were investigated. The physical characterization of the pristine as well as electrochemically cycled materials was performed by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and magnetization measurements. The electrochemical measurement methods used were cyclic voltammetry and galvanostatic cycling. In total, the presented results show, that the electrochemical properties of anode materials can be improved significantly by morphological modification and realising carbon composites. In the case of Li3VO4 and MoO2 smaller particles exhibit higher electrochemical activities. The pseudo-capacitive charge storage observed for hierarchically structured V2O3/C microspheres allows good performance even at high charge rates. In the case of the composites with hollow carbon spheres and nanotubes, the contributions of the transition metal oxides lead to higher specific capacities. Moreover, encapsulation of CoFe2O4 in carbon nanotubes proves to be a successful strategy to counteract the negative effects of conversion processes on cycling stability.

Availability note (English)

Also available from: http://dx.doi.org/10.11588/heidok.00030978

Abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit werden potenzielle Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich ihrer physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Dabei im Vordergrund steht der Zusammenhang von Partikelgröße, Morphologie, Funktionalisierung und elektrochemischen Eigenschaften. In diesem Kontext wurden das Interkalationsmaterial Li3VO4, die konversionsbasierten Übergangmetalloxide MoO2, V2O3, CoFe2O4 und Mn3O4 sowie ZnO als Vertreter der legierungsbildenden Materialien untersucht. Die physikalische Charakterisierung der Ausgangsmaterialien und elektrochemisch zyklierter Proben erfolgte mittels Röntgendiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie und Magnetisierungsmessungen. Als elektrochemische Messmethoden kamen die zyklische Voltammetrie und galvanostatische Zyklierung zum Einsatz. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass durch morphologische Modifikation sowie den Verbund mit Kohlenstoff Einfluss die elektrochemischen Eigenschaften signifikant verbessert werden können. So weisen im Fall von Li3VO4 und MoO2 kleinere Partikel höhere elektrochemische Aktivitäten auf. Die pseudo-kapazitive Ladungsspeicherung, die für hierarchisch strukturierte V2O3/C-Mikrosphären beobachtet wird, erlaubt auch bei hohen Laderaten eine gute Leistung. Im Fall der Komposite mit Kohlenstoffhohlkugeln und -nanoröhren führen die Beiträge der Übergangsmetalloxide zu höheren spezifischen Kapazitäten. Zudem erweist sich die Einkapselung von CoFe2O4 in Kohlenstoffnanoröhren als erfolgreiche Strategie, um den negativen Auswirkungen der Konversionsprozesse auf die Zyklenstabilität entgegenzuwirken.

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Original title (German)
Einfluss von Morphologie und Funktionalisierung auf die elektrochemischen Eigenschaften von oxidischen Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

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199 p.
Report number
INIS-DE--3633