Title:	Polymerelektrolyte auf Basis einer Polyethylenoxidmatrix für 3D-Stromableiter in Lithium-Ionen-Batterien
Authors:	Leš, Kristian
ORCID of the author:	https://orcid.org/0000-0003-2713-2989
Thesis advisor:	Prof. Dr. Jordan, Carmen-Simona
Thesis referee:	Prof. Dr. Steinhart, Martin
Abstract:	Eine dreidimensionale (3D)-Elektrodenarchitektur von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) ermöglicht eine höhere Beladung mit Aktivmaterial pro Flächeneinheit, wodurch die gravimetrische Energiedichte gesteigert werden kann – ein wichtiges Merkmal für zukünftige Energiespeicher. Ebenso notwendig für neue Batteriegenerationen ist die Substitution von leicht entflammbaren Flüssigelektrolyten mit sicheren Polymerelektrolyten (PEs). Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine innovative Prototypzelle aus der Kombination einer anspruchsvollen 3D-Metallschaumkathode mit einem speziell entwickelten quasi-Polymerfestelektrolyt (QPFE) auf Basis einer Polyethylenoxid-Matrix verwirklicht. Bei einer spezifischen Fläche von 0.785 cm2 erreichte die 3D-LIB eine hohe Arbeitsspannung von 2.28 V und eine Flächenkapazität von bis zu 1.74 mAh cm 2 im ersten Ladezyklus. Die Vollzelle überstand 50 Lade-/Entladezyklen bei einer Stromdichte von 10 µA cm-2 und zeigt damit enormes Potential für den Übergang zur 3D-Architektur mit sicheren PEs. Hinsichtlich der Elektrolytanpassung an die 3D-Geometrie und die erforderlichen LIB-Anforderungen wurden die Einflüsse der Komponentenverhältnisse, des Leitsalzgehalts und des Weichmacheranteils mittels thermogravimetrischer Analyse, dynamischer Differenzkalorimetrie und diverser elektrochemischer Messmethoden, etwa der Zyklovoltammetrie oder der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, analysiert. Komplementär dazu kamen spektroskopische Methoden zum Einsatz, die Aufschluss über morphologische und strukturelle Merkmale gaben. Als Resultat der Untersuchungen wurde ein QPFE synthetisiert, der einen neuartigen Weichmacher beinhaltet. Die positive Auswirkung auf die Dissoziation des Lithiumsalzes und den Lithiumtransport mit zunehmendem Weichmachergehalt beruhte auf der Kombination von Nitril-Endgruppen und Ethylenoxid-Ketten. Neben einer hohen ionischen Leitfähigkeit von 1.8 x 10 4 S cm-1 bei 30 °C und 1.3 x 10 3 S cm-1 bei 80 °C, einer Spannungsstabilität bis 5 V gegen Lithium, einer niedrigen Glasübergangstemperatur von -55.7 °C und einer thermischen Stabilität über 200 °C, konnte ebenfalls die Kompatibilität mit Lithiummetall nachgewiesen werden. Zudem wurde in weiterführenden Experimenten eine Methode ausgearbeitet, um ein interpenetrierdendes Netzwerk (IPN) aus den hergestellten PEs und einem elektroaktiven, heterozyklischen Polymer darzustellen. Die Integration von bis zu 30 Gew.-% überoxidiertem Polymethylpyrrol in die Matrixstruktur führte zu einer hundertfachen Steigerung der ionischen Leitfähigkeit. Die bei der Überoxidation entstehenden lithiumaffinen Gruppen senkten die Aktivierungsenergie drastisch von 34.86 kJ mol-1 auf 4.09 kJ mol-1 und erleichtern somit den Lithiumtransport innerhalb des IPN.
URL:	https://doi.org/10.48693/580 https://osnadocs.ub.uni-osnabrueck.de/handle/ds-2024090911568
Subject Keywords:	Lithium-Ionen-Batterie; Polymerelektrolyte; 3D-Stromableiter
Issue Date:	9-Sep-2024
License name:	Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Germany
License url:	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
Type of publication:	Dissertation oder Habilitation [doctoralThesis]
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