Elektrogesponnene Vanadiumoxid- und Vanadiumsulfid-Kohlenstoff Hybridfaser-Elektroden für Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien (HEROES-4-Li-Na-batteries)

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452180147

Das vorliegende Projekt wird Hybrid-Faser aus Vanadiumpentoxid/Kohlenstoff und Vanadiumsulfid/Kohlenstoff elektrospinnen und diese zur Verwendung als Elektroden in Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien untersuchen. Hierbei werden wir ausgewählte Eigenschaften der Hybridmaterialfasern durch Variation der Synthesekonditionen verändern, um systematische Eigenschaft-Struktur-Beziehungen zu identifizieren. Dieses Wissen ist für die Entwicklung leistungsfähiger Li- und Na-Ionen-Batterien von grundlegender Bedeutung.Der Großteil der Literatur zu Li- und Na-Ionen-Batterien stellt das Elektrodenmaterial separat her, um dieses dann mit einem Kohlenstoff-Leitadditiv zu versetzen und beide Komponenten mit einem Binder zu konsolidieren. Intrinsische Eigenschaften der Elektrodenmaterialien sind dabei nicht immer klar zu erkennen; ebenso ist die Grenzfläche zwischen Interkalationsmaterial und Leitadditiv aufgrund der fehlenden Nanoskalierung selten für hochleistungsfähige Energiespeicherung optimiert.In unserem Projekt werden wir einen „aus-einem-Guß“ Ansatz verwenden, mittels dessen Vanadiumoxid-Domänen umgeben von nanoskaligem Kohlenstoff direkt in den Fasern durch thermische Behandlung entstehen. Nachgeordnete H2S-Behandlung erlaubt es uns, diese Oxid-Kohlenstoff-Hybridmaterialien dann in Sulfid-Kohlenstoff-Hybride zu überführen ohne dass man dabei die Fasermatten zerstört. Dieser Ansatz erlaubt uns die gezielte Manipulation verschiedener Materialeigenschaften um folgende Korrelationen in Bezug auf die elektrochemischen Eigenschaften zu erfassen: 1) Einfluss der elektrisch leitfähigen Phase (Menge und Art des Kohlenstoffs); 2) Einfluss der Struktur von Vanadiumoxid bzw. Vanadiumsulfid; 3) Einfluss der Faserarchitektur.Unser Projekt wird umfangreiche Materialuntersuchungen durchführen (einschließlich Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie, Elementaranalyse, Raman- und Infrarotspektroskopie und Thermogravimetrie). In Kollaboration werden Messungen zur Ionendiffusion und der chemischen Zusammensetzung mit Kernspinresonanzspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie durchgeführt werden. Die Materialeigenschaften werden mit den elektrochemischen Leistungsmerkmalen abgeglichen, die über Halb- und Vollzellenmessungen für Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien (LiPF6 bzw. NaPF6 in einem karbonatischen Lösungsmittel) erhalten werden. Die strukturellen und phasenbezogenen Änderungen der Hybridfasern werden wir mittels in situ Röntgendiffraktion sowie der elektrochemischen Quarz-Mikrowaagen quantitativ abbilden und durch post-mortem Analysen ergänzen. Damit wird es uns möglich sein, die Änderungen im Volumen der Kristallgitter mit den makroskopischen Volumenänderungen der Oxid- und Sulfid-Hybridelektroden zu korrelieren, die wir mittels elektrochemischer Dilatometrie erfassen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Dr. John Griffin