Development of novel electrode materials for rechargeable batteries

Christian Lund Jakobsen

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

119 Downloads (Pure)

Abstract

I denne afhandling undersøges fire forskellige materialer, med lovende aspekt som positive elektrodematerialer til genopladelige Li- eller Na-ion batterier, med fokus på deres strukturelle ændringer under ion-interkalation. Afhandlingens bærende metodologi har været operando pulverrøntgendiffraktion og parfordelingsfunktionseksperimenter analyseret ved brug af Rietveld og ”real-space” forfininger, for at opnå strukturelle modeller, der beskriver elektrodernes atomare skala og deres ændringer under op- og afladning.
Oxidbaserede materialer er blandt de bedst præsterende interkalationselektroder. I denne afhandling har to oxider været genstand for undersøgelse. En af disse, rutil/pyrolusit β-MnO2, har vist sig at kunne rumme >2 Li-ioner under den første afledning. Imidlertid inducerer ion-interkalationen betydelig strukturel uorden. Strukturen af det uordnede stadie består heraf af nano-domæner af en spinellignende LixMnO2-fase. Det andet oxidmateriale, NaCrO2, er blevet undersøgt stor detaljeret, heri for at belyse både de krystallinske-til-krystallinske og ordensforstyrrelser, der forekommer under op- og afladning. Materialet gennemgår flere faseovergange ved opladning, hvilket resulterer i kontinuerlig udvidelse af lagsafstanden, i modsætning til meget diskret to-faseovergange under afladning. Ydermere, er et tidligere glemt opladningsintermediat blevet opdaget i dette arbejde. Da mere end 60% Na ekstraheres fra det syntetiserede materiale NaCrO2, bliver den lang rækkende orden tabt, da Cr migrerer irreversibelt til de ledige Na-lag og danner en uordnet O3-fase.

Da oxiderne gennemgår betydelige strukturelle ændringer, er fordelene ved de mere stabile polyanioniske rammer ret tiltalende. Heri ligger de meget attraktive fosfater, hvoraf to er blevet undersøgt i denne afhandling. Den orthorhombiske polymorf β-LiVOPO4 viser kerne-skal-dannelse, som blokerer Li-migrering, men kan fjernes via høj-energi-kuglemølning. Materialet følger en to-fasereaktion under op- og afladning, men en uventet fastopløsningsadfærd i den Li-fattige fase (β-VOPO4) blev opdaget. Endelig kombinerer denne afhandling fordelene ved lagdelt struktur med stabiliteten fra polyanionerne gennem et lagdelt natriumjernfosfat materiale, XIV Na3Fe3(PO4)4, som kan acceptere både Li- og Na-ioner reversibelt. Materialet reagerer som en fast opløsning ved interkalation, hvor interkalationen af Na sker i hulrummene mellem de to jernpositioner, hvilket forårsager celleudvidelse. Som materialet har tid til at hvile efter udledning, migrerer det interkalerede Na til Na-lagene, hvilket forårsager en sammentrækning af cellen.
I denne afhandling, er der blevet præsenteret dybtgående ny viden for fire materialer, der har en mulig fremtid som positiv elektrode i genopladelige batterier. Forståelsen af strukturel uorden i disse materialer under ion-(de)interkalation er blevet grundigt analyseret via avancerede karakteriseringsteknikker. Opdagelserne i afhandlingen kan forhåbentlig give viden til at forudsige adfærd af mere komplekse materialer, da materialesammensætningsjustering vil være nært forestående for fremtiden for genopladelige batterier.
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Ravnsbæk, Dorthe Bomholdt, Hovedvejleder
Dato for forsvar11. nov. 2022
Udgiver
DOI
StatusUdgivet - 9. nov. 2022

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Development of novel electrode materials for rechargeable batteries'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater