Structural Transformations in Electrodes for Rechargeable Batteries

Christian Kolle Christensen

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

Abstract

Det genopladelige batteri har gennemgået en enorm udvikling, siden sit store gennembrud med opfindelsen og markedsførelsen af Li-ion batteriet i 1991. Li-ion batteriets store succes skyldes primært at det overgik tidligere genopladelige batterityper på både volumetrisk (Watt per cm3) og gravimetrisk energitæthed (Watt per kg) og satte derfor gang i udbredelsen af en lang række mobile elektronikprodukter. Teknologien står nu overfor nye udfordringer. Produktionen af Li-ion batterier til køretøjer alene overgik i 2015 den samlede produktion af Li-ion batterier til elektronikprodukter målt på kapacitet, og 2017 var produktionen allerede fordoblet. Den største aftager af genopladelige batterier er derfor til anvendelser, der benytter store batteripakker. Ikke mindst fordi den samtidige udfasning af energiproduktion baseret på fossile brændsler og skift til vedvarende energi typisk baseret på sporadiske energikilder fra bl.a. sol og vind, kræver effektiv energilagring på stor skala for succesful en implementering. Genopladelige batterier er en af de mest lovende teknologier til energiopbevaring. Men udvidelse til storskala energiopbevaring stiller nye krav til pris, levetid og sikkerhed. Forståelse af de aktive materialer på atomar skala er nødvendig for at kunne forbedre den nuværende teknologi.
I denne afhandling undersøges de strukturelle ændringer i en række lovende elektrode materialer til genopladelige batterier: nanokrystallinsk titan dioxid, strukturelt uordnede lithium vanadium oxider samt nanorør af vanadium oxid. Især er den strukturelle respons og medfølgende krystallinske uorden ved Li-interkalering og -ekstrahering under drift undersøgt ved så kaldt operando røntgen diffraktion og total spredning.
Mens anatase TiO2 optager Li+ gennem en reversibel krystallinsk to-fase reaktion, resulterer indsætning af 1 Li/Ti i rutil polymorfen i en irreversibel faseomdannelse til en lagdelt α-NaFeO2 lignende struktur. Omdannelsen resulterer i tab af krystallinitet og dannelsen af en uordnet fase mellem de lagdelte domæner, hvilket er beskrevet i denne afhandling. Derudover blev det fundet at strukturen udveksler Li+ ioner gennem en fast-opløsningsmekanisme med bemærkelsesværdig lille volumenændring.
Indsætning af Li+ i V2O5 til den støkiometriske Li3V2O5 sammensætning, resulterer ligeledes i en irreversibel omdannelse dog til en uordnet halit struktur med en lokal dispergeret kation ordning. Det påvises endvidere at efterfølgende af- og opladning følger en to-fase mekanisme og strukturen for den opladte uordnede fase beskrives.
Et andet interessant vanadium oxid materiale, multilammelære nanorør, er blevet undersøgt som elektrode i både Li- og Mg-ion batterier. Den strukturelle respons af Li+ og Mg2+ ioner i dette materiale er for første gang blevet dybdegående og systematisk beskrevet. Undersøgelserne viser at de strukturelle omdannelser afhænger af hvilke template molekyler eller ioner der befinder sig mellem vanadium oxid lagene i nanorørene og at nogle afladningsbetingelser fører til at multi-lag strukturen ødelægges mens de invidividuelle VOx lag forbliver intakte.
Samlet set bidrager dette arbejde med indsigt i strukturel uorden forårsaget af elektrokemisk indsætning og ekstraktion af de aktive ioner i elektrodematerialer til genopladelige batterier. Arbejdet peger også på nye retninger hvormed disse mekanismer kan yderligere udforskes.
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Ravnsbæk, Dorthe Bomholdt, Hovedvejleder
UdgivelsesstedOdense
Udgiver
StatusUdgivet - 31. aug. 2018

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Structural Transformations in Electrodes for Rechargeable Batteries'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater