KIP-Veröffentlichungen

In der vorliegenden Arbeit wurden konversionsbasierte Anodenmaterialien am Beispiel der Übergangsmetalloxide MoO3, MoO2 und WOx und des Disulfids WS2 sowie Interkalationsmaterialien mit MXene-Struktur (Ti3C2, Nb2C, V2C) und deren Komposite als potenzielle Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) der nächsten Generation untersucht. MXene wurden durch einen selektiven Ätzprozess hergestellt. Bei der Verwendung als Anodenmaterialien für LIBs weisen die synthetisierten MXene-Elektroden aufgrund ihrer hohen elektronischen Leitfähigkeit, ihrer Schichtstruktur sowie ihrer guten mechanischen Eigenschaften eine ausgezeichnete Zyklenstabilität auf. Um die spezifische Kapazität (<300 mAh g-1) der MXene zu verbessern, wurden Komposite auf der Basis von Nb2C- und V2C-MXenen und konversionsbasierten Hochkapazitätsanodenmaterialien (MoO2 und MoO3) hergestellt. MoO3/Nb2C wurde durch ein Kugelmahlverfahren und MoO2/C/V2C durch ein elektrostatisch unterstütztes hydrothermales Verfahren synthetisiert. Dabei wurden entscheidende experimentelle Parameter für das kugelgemahlene MoO3/Nb2C (Mahldauer, Mahlgeschwindigkeit und Massenverhältnis der Komponenten) variiert, um die Morphologie und damit die elektrochemischen Eigenschaften zu optimieren. Mit einer Kapazität von 261 mAh g-1 nach 300 Zyklen bei einer Stromdichte von 100 mA g-1 zeigt das Komposit MoO3/Nb2C, welches mit einem Massenverhältnis von 1:1 hergestellt wurde, die beste Leistung. Die hydrothermal synthetisierten MoO2/C/V2C-Komposite besitzen eine besondere Struktur, die sich durch gleichmäßig in der hierarchischen V2C/C-Struktur verteilte MoO2-Partikel auszeichnet. Bei Verwendung als Anodenmaterial für LIBs zeigt das MoO2/C/V2C-Komposit eine hervorragende Zyklenstabilität und Ratenkapazität, z.B. eine verbleibende Kapazität von 96 % (605 mAh g-1) bei einer hohen Stromdichte von 1000 mA g-1 nach 400 Zyklen. Zudem wurden Kohlenstoff-ummantelte Wolframoxide mittels preiswerter Kohlenstoffquellen (CTAB oder PVP) durch einen hydrothermalen Karbonisierungsprozess synthetisiert. Ein zusätzlicher Schwefelungsprozess erlaubt die Umwandlung zu kohlenstoffbeschichteten Disulfiden. Bei der Verwendung als Anodenmaterialien für LIBs zeigen die mit CTAB hergestellten Materialien (Wolframoxid-Kohlenstoffkomposit: c-WOx/C, Wolframdisulfid-Kohlenstoffkomposit: c-WS2/C und das gemischtphasige Material c-WOx/C-WS2/C) im Vergleich zu den reinen Materialien eine hervorragende Zyklenstabilität und Ratenkapazität. Insbesondere die c-WS2/C-Elektrode zeigt eine hervorragende Langzeit-Zyklenstabilität von 97 % nach 500 Zyklen bei einer hohen Stromdichte von 500 mA g-1. Die mittels PVP hergestellte WS2/CElektrode (p-WS2/C) zeigt mit einer erhaltenen Kapazität von 80 % nach 500 Zyklen ebenfalls gute Ergebnisse. Insgesamt stellt die vorliegende Arbeit damit eine skalierbare und kostengünstige Methode zur Herstellung von Kohlenstoff-ummanteltem Wolframoxid und -disulfid für Hochleistungs-LIBs vor, die auf die Herstellung weiter Kohlenstoff-ummantelter Materialien auf Metallbasis erweitert werden kann.

In this thesis, conversion type anode materials including transition metal oxides (MoO3, MoO2, WOx), disulfides (WS2) and the insertion reaction-based carbides with MXene-structure (Ti3C2, Nb2C, V2C), as well as their composites, were investigated as potential anode materials for next generation lithium ion batteries (LIBs). MXenes were prepared by an selective etching-based process. When used as anode materials for LIBs, the synthesized MXenes electrodes exhibit excellent cycling stability due to their high electronic conductivity, layered structure as well as good mechanical properties. In order to improve the specific capacity (<300 mAh g-1) of the MXenes, composites based on Nb2C- and V2C-MXenes and conversion-based high-capacity anode materials (MoO2 and MoO3) were produced. The here presented MoO3/Nb2C was synthesized by a ball-milling method and MoO2/C/V2C by an electrostatically assisted hydrothermal method. Crucial experimental parameters for the ball-milled MoO3/Nb2C (ball-milling time, ball-milling speed, and mass ratio of components) were varied to optimize the morphology and thus the battery performance. The best properties are obtained for MoO3/Nb2C composite synthesized with a mass ratio of 1:1 where a capacity of 261 mAh g-1 is found after 300 cycles at a current density of 100 mA g-1. The uniquely structured hydrothermally synthesized MoO2/C/V2C composites consist of uniformly distributed MoO2 in the hierarchical V2C/C structure. When used as anode materials for LIBs, the composites show outstanding cycling stability and superior rate capability with, e.g., 96% capacity retention (605 mAh g-1) at a high current density of 1000 mA g-1 after 400 cycles. Lastly, carbon-coated tungsten oxides based on low-cost carbon sources (CTAB or PVP) were synthesized by a hydrothermal, carbonization process. An additional sulfurization process yielded carbon-coated disulfides. When used as anode materials for LIBs, the CTAB-assisted tungsten oxide carbon composite (c-WOx/C), tungsten disulfide carbon composite (c-WS2/C), and mixedphase (c-WOx/C-WS2/C) electrodes show outstanding cycling stability and rate performance compared to pristine ones. Particularly, the c-WS2/C electrode shows superior long-term cycle stability of 97% retention after 500 cycles at a high current density of 500 mA g-1. Similarly, the PVP-assisted WS2/C (p-WS2/C) electrode displays a capacity retention of 80% after 500 cycles. This work, therefore, presents a scalable and low-cost route to prepare carbon-coated tungsten oxide and disulfide for high performance LIBs, which can be extended for the preparation of other carbon-coated metal-based materials.