Functionalization and Analysis of Hard Carbon Surfaces for Sodium-Ion Batteries
Year: 2026
Type: book
Abstract: Jeden Tag verlassen wir uns auf Batterien: Ob in Mobiltelefonen, Laptops oder elektrischen Fahrzeugen, die Nutzung elektrochemischer Energiespeicher hat festen Einzug in unseren Alltag gefunden. Im Zuge der Diversifikation von Energiespeichersystemen spielt die Entwicklung von Natrium-Ionen Batterien (SIBs) eine zunehmend wichtigere Rolle um bestehende Märkte von Lithium-Ionen Batterien (LIBs) zu ergänzen und zu entlasten, insbesondere im Hinblick auf die Ressourcenverfügbarkeit. Vielversprechende Entwicklungen in der Forschung an SIBs im letzten Jahrzehnt haben den Übergang von der Labor- zur Verbrauchertechnik erfolgreich vorangetrieben. Jedoch stellt der Verlust an zyklierbarem Natrium während des ersten Zyklus eine erhebliche Einschränkung in der Entwicklung von SIBs dar, welcher häufig durch die Initiale Coulomb Effizienz (ICE) beziffert wird. Eine geringe ICE spiegelt direkt einen irreversiblen Verbrauch an Natrium wider und führt zu einer unwiederbringlich reduzierten Kapazität der Zelle. Ein Großteil des irreversiblen Natriumverlustes wird der Ausbildung einer Festelektrolytphase (engl. Solid Electrolyte Interphase, SEI) auf der Anode zugeschrieben. Während die SEI essentiell für die Funktionalität einer Zelle ist, verbraucht ihre Ausbildung einen nicht unerheblichen Teil des bereits limitierten Natriumvorrats. Zugerechnet werden diese Verluste teilweise dem Vorhandensein von funktionellen Sauerstoffgruppen (engl. oxygen functional groups, OFGs) auf der Oberfläche von Hartkohlenstoffen (engl. hard carbon), den meistgenutzten Anodenmaterialien für SIBs. Obwohl die exakte Rolle von OFGs auf die Ausbildung der SEI kontrovers diskutiert wird, haben sich die gezielte Einstellung und chemische Modifikation von OFGs als vielversprechende Strategien herausgestellt, um irreversible Natriumverluste zu vermindern und die ICE zu verbessern. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf die Oberflächeneigenschaften von Hartkohlenstoff im Hinblick auf ihre Sauerstofffunktionalisierung und darauf, wie diese die Bildung der Festelektrolytphase beeinflussen und irreversible Ladungsverluste im ersten Zyklus verursachen. Sphärischer Hartkohlenstoff mit einem geringem Sauerstoffanteil wurde aus Furfurylalkohol synthetisiert, welcher als Modellsystem für nachfolgende Funktionalisierungsansätze diente. Zur Modifikation der Oberfläche mit Sauerstoffgruppen wurde die Adsorption von funktionellen Pyrenen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sauerstofffunktionalisierung an der Oberfläche zwar eine ausschlaggebende Rolle bei der SEI-Bildung spielt, jedoch kein entscheidender Faktor für die im ersten Zyklus beobachteten Ladungsverluste ist. Pyrene mit Sauerstofffunktionsgruppen zeigten eine beeinträchtigte reversible Kapazität auf, welche auf eine eingeschränkte Zugänglichkeit der inneren Porosität zurückzuführen ist, wie durch erhöhte Verhältnisse von Neigungs- zu Plateaukapazität belegt wird. Ozon wurde als oxidative Behandlung eingesetzt, um entweder eine Funktionalisierung oder den strukturellen Abbau des Hartkohlenstoffs temperaturabhängig herbeizuführen. Es konnte gezeigt werden, dass eine Behandlung bei Raumtemperatur vorwiegend zu einer Funktionalisierung des Hartkohlenstoffs führt, während höhere Temperaturen die strukturelle Degradation und Erosion des Kohlenstoffgerüsts begünstigen. Gestützt durch Experimente an Modell-Kohlenstoffsubstraten und spektroskopischer Messungen wird ein mechanistisches Modell vorgeschlagen, um die Wechselwirkung von Ozon mit Hartkohlenstoff bei verschiedenen Temperaturen zu erklären. Entgegen der weit verbreiteten Annahme, dass ein hoher Grad an Sauerstofffunktionalisierung unweigerlich zu einer geringen anfänglichen Coulomb-Effizienz führt, wird gezeigt, dass der strukturelle Abbau und eine modifizierte Porenumgebung im Partikel den Ladungsverlust während der ersten Zyklen sowie die geringen reversiblen Kapazitäten verursacht. Abschließend befasst sich diese Arbeit mit den Herausforderungen und Grenzen der Röntgen- Photoelektronenspektroskopie bei der Analyse von funktionellen Sauerstoffgruppen auf Hartkohlenstoff. Es wurde ein Derivatisierungsprotokoll entwickelt und anhand von Polymer- Modellsubstraten validiert. Diese Methode ermöglicht eine zuverlässige Unterscheidung von Sauerstofffunktionsgruppen und etabliert sich damit als ergänzendes Werkzeug für die Oberflächenanalyse. Es gelang, die inhärente spektrale Überlappung verschiedener Sauerstofffunktionalitäten zu überwinden und die individuellen Beiträge von Hydroxyl- und Carboxylgruppen zu quantifizieren. Es konnte ferner gezeigt werden, dass Hartkohlenstoff nur eine geringe Konzentration an Elektrolytzugänglichen Hydroxyl- und Carboxylfunktionalitäten aufweist (<1 at.%). Es wurde auch nachgewiesen, dass die Ozonbehandlung die Konzentration an Hydroxyl- und Carboxylfunktionalitäten signifikant erhöht, was das vorgeschlagene mechanistische Modell stützt.
Source: KITopen
Author: Bauer, Felix Manfred
Language: English
Subfield: Electrical and Electronic Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7221708499