Alternative Anodenmaterialien für Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Akkumulatoren:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Dresden
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | iv, 249 Seiten Illustrationen, Diagramme 21 cm |
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|---|---|
| adam_text | INHALTSVERZEICHNIS
I
INHALTSVERZEICHNIS
I)
EINLEITUNG
UND
MOTIVATION
......................................................................................................
1
1.
BATTERIEENTWICKLUNG
IN
VERGANGENHEIT,
GEGENWART
UND
ZUKUNFT
.....................................
1
1.1
ANALYSE
DES
SEKUNDAERBATTERIEMARKTES
.....................................................................
2
1.2
TRENDS
DER
FORSCHUNG
AN
SEKUNDAERBATTERIEN
............................................................
7
2.
ZIEL
DER
ARBEIT
....................................................................................................................
9
II)
THEORETISCHER
HINTERGRUND
..................................................................................................
12
1.
ELEKTROCHEMISCHE
GRUNDLAGEN
UND
BATTERIEKENNGROESSEN
...............................................
12
1.1
AUFBAU
UND
FUNKTIONSWEISE
EINER
ELEKTROCHEMISCHEN
ZELLE
..................................
12
1.2
BATTERIEKENNGROESSEN
..................................................................................................
15
1.2.1
THEORETISCHE
KAPAZITAET
UND
NENNKAPAZITAET
......................................................
16
1.2.2
STROMSTAERKE
UND
C-RATE
....................................................................................
16
1.2.3
SPANNUNGSPROFIL
................................................................................................
16
1.2.4
ENERGIE
UND
LEISTUNG
.........................................................................................
17
1.2.5
COULOMB-
UND
ENERGIEEFFIZIENZ
........................................................................
17
1.2.6
ZYKLENSTABILITAET
UND
KALENDARISCHE
LEBENSDAUER
..............................................
18
1.2.7
SICHERHEIT
UND
BATTERIEKOSTEN
...........................................................................
18
1.3
ELEKTROCHEMISCHE
CHARAKTERISIERUNGSMETHODEN
.....................................................
18
1.3.1
CHRONOPOTENTIOMETRIE
........................................................................................
18
1.3.2
ZYKLOVOLTAMMETRIE
..............................................................................................
19
1.3.3
ELEKTROCHEMISCHE
IMPEDANZSPEKTROSKOPIE
......................................................
19
2.
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
...................................................................................................
20
2.1
FUNKTIONSWEISE
UND
MECHANISMEN
.........................................................................
20
2.2
KATHODENAKTIVMATERIALIEN
.........................................................................................
21
2.3
ELEKTROLYT
...................................................................................................................
23
2.4
SEPARATOREN
..............................................................................................................
27
3.
LITHIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN
.............................................................................................
29
3.1
REAKTIONSMECHANISMEN,
ZELLDESIGN
UND
HERAUSFORDERUNGEN
..............................
29
3.2
KOMPOSIT-KATHODENMATERIALIEN
UND
-STRUKTUREN
....................................................
33
3.3
ELEKTROLYTE
UND
SEPARATOREN
....................................................................................
34
4.
ANODENMATERIALIEN
FUER
LITHIUM-BASIERTE
AKKUMULATOREN
...............................................
38
4.1
KOHLENSTOFFMATERIALIEN
.............................................................................................
41
4.1.1
STRUKTURMODIFIKATIONEN
UND
DEREN
LITHIIERUNGSMECHANISMEN
........................
41
4.1.2
BILDUNG
UND
EIGENSCHAFTEN
DER
ELEKTRODEN/ELEKTROLYTPASSIVIERUNGSSCHICHT
.
44
4.2
SILIZIUM
.....................................................................................................................
47
INHALTSVERZEICHNIS
4.2.1
LITHIIERUNGS-
UND
DELITHIIERUNGSMECHANISMEN
................................................
49
4.2.2
STRUKTURELLE
KLASSIFIKATION
..................................................................................
51
4.2.3
ELEKTROLYTE
ZUR
STABILISIERUNG
DER
PASSIVIERUNGSSCHICHT
..................................
54
4.3
LITHIUM
.......................................................................................................................
55
4.3.1
MECHANISMEN
DER
ELEKTROCHEMISCHEN
LITHIUMABSCHEIDUNG
UND
-ABTRAGUNG.55
4.3.2
METHODEN
ZUR
HOMOGENISIERUNG
DER
LITHIUMABSCHEIDUNG
.............................
58
4.4
ALTERNATIVE
ANODENMATERIALIEN
.................................................................................
62
4.5
ANFORDERUNGEN
AN
ANODEN
FUER
PRAKTIKABLE
LITHIUM-BASIERTE
AKKUMULATOREN
.......
63
4.6
LITHIUM-BASIERTE
AKKUMULATOREN
MIT
ALTERNATIVEN
ANODENKONZEPTEN
....................65
4.6.1
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
MIT
SILIZIUMBASIERTEN
ANODEN
....................................
65
4.6.2
LITHIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN
MIT
KOHLENSTOFF-
UND
SILIZIUMBASIERTEN
ANODEN
..67
III)
EXPERIMENTELLES
VORGEHEN
UND
METHODEN
.....................................................................
69
1.
VERWENDETE
CHEMIKALIEN,
GERAETE
UND
HALBZEUGE
.........................................................
69
2.
ELEKTRODENHERSTELLUNG
UND
PROBENPRAEPARATION
..............................................................
72
2.1
SILIZIUMANODEN
.........................................................................................................
72
2.2
LITHIUMMETALLANODEN
.................................................................................................
73
2.3
HARD-CARBON-ANODEN
................................................................................................
73
2.4
KOHLENSTOFF/SCHWEFEL-KATHODE
.................................................................................74
2.5
NAFION-BESCHICHTUNG
DES
CELGARD
2500-SEPARATOR
...............................................
74
2.6
HERSTELLUNG
DER
ELEKTROLYTE
.......................................................................................
74
3.
CHARAKTERISIERUNGSMETHODEN
..........................................................................................
75
3.1
CHARAKTERISIERUNG
DER
STRUKTUR
UND
ZUSAMMENSETZUNG
.........................................
75
3.1.1
RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE
..........................................................................
75
3.1.2
RAMANSPEKTROSKOPIE
........................................................................................75
3.1.3
FTIR-SPEKTROSKOPIE
..........................................................................................
75
3.1.4
ROENTGENDIFFRAKTOMETRIE
.....................................................................................
76
3.1.5
IN-SITU
SYNCHROTRON
ROENTGENDIFFRAKTOMETRIE
......................................................
76
3.1.6
KONFOKALMIKROSKOPIE
.........................................................................................
76
3.2
ELEKTROCHEMISCHE
CHARAKTERISIERUNG
.......................................................................
76
3.2.1
KNOPF-
UND
POUCHZELLBAU
..................................................................................
76
3.2.2
GALVANOSTATISCHES
ZYKLIEREN
............................................................................
79
3.2.3
ZYKLOVOLTAMMETRIE
.............................................................................................
81
3.2.4
RUECKGEWINNUNG
VON
ELEKTRODEN
.......................................................................
81
3.3
ANWENDUNGSDEMONSTRATION
.....................................................................................
81
INHALTSVERZEICHNIS
III
IV)
ERGEBNISSE
UND
DISKUSSION
............................................................................................
82
1.
EINFLUSS
VON
ANODENPARAMETERN
AUF
DIE
ENERGIEDICHTE
UND
SPEZIFISCHE
ENERGIE
VON
LITHIUM-IONEN
UND
LITHIUM-SCHWEFEL
ZELLEN
..........................................................................
83
1.1
BETRACHTUNG
DER
AKTIVMATERIALIEN
.............................................................................
83
1.2
BETRACHTUNGEN
DER
ZELLSTAPELKOMPONENTEN
..............................................................
85
1.3
FAZIT
...........................................................................................................................
89
2.
ANALYSE
KOMPETITIVER
ANODENMATERIALIEN
UND
-STRUKTUREN
.............................................
90
2.1
SILIZIUMANODEN
.........................................................................................................
90
2.1.1
EINFLUSS
DER
ANODENSTRUKTUR
UND
-ZUSAMMENSETZUNG
...................................
90
2.1.2
EINFLUSS
DER
KAPAZITAETSLIMITIERUNG
.................................................................
117
2.1.3
EINFLUSS
DES
ELEKTROLYTEN
UND
DER
GEGENELEKTRODE
.......................................
124
2.1.4
FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
FUER
DIE
ENTWICKLUNG
VON
SILIZIUMANODEN
.................
131
2.2
LITHIUMMETALLANODEN
..............................................................................................
133
2.2.1
ELEKTROCHEMISCHE
ABSCHEIDUNG
VON
LITHIUMMETALL
AUF KUPFERFOLIE
..............
133
2.2.2
SYMMETRISCHE
LITHIUM-LITHIUM-ZELLEN
MIT
LIMITIERTER
LITHIUMMENGE
............
138
2.2.3
FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
ZUR
BEWERTUNG
DER
REVERSIBILITAET
VON
LITHIUMMETALLANODEN
.....................................................................................................
141
2.3
KOHLENSTOFFANODEN
.................................................................................................
142
2.4
FAZIT
UND
VERGLEICH
DER
ANODENKONZEPTE
.............................................................
145
3.
EXPLORATION
DER
ANODENKONZEPTE
IN
LITHIUM-SCHWEFEL
ZELLEN
....................................
148
3.1
BEWERTUNG
DER
ZYKLENSTABILITAET
VON
KOHLENSTOFF/SCHWEFEL-KATHODEN
.................
148
3.1.1
HALBZELLEN
MIT
LITHIUMMETALLANODEN
VON
HOHEM
LITHIUMUEBERSCHUSS
..........
148
3.1.2
SYMMETRISCHE
LITHIUMSULFID
-
SCHWEFEL
ZELLEN
............................................
150
3.1.3
FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
..................................................................................
157
3.2
ENTWICKLUNG
VON
LITHIUM-SCHWEFEL
VOLLZELLEN
......................................................
158
3.2.1
VOLLZELLEN
MIT
GALVANISCH
ABGESCHIEDENEN
LITHIUMMETALLANODEN
................
158
3.2.1
VOLLZELLEN
MIT
LITHIIERTEN
HARD-CARBON
ANODEN
................................................
163
3.2.2
VOLLZELLEN
MIT
LITHIIERTEN
SILIZIUMANODEN
........................................................
166
3.2.3
VERGLEICH
DER
ANODENKONZEPTE
IN
LITHIUM-SCHWEFEL
VOLLZELLEN
...................
170
3.3 FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
FUER
DIE
ENTWICKLUNG
VON
LITHIUM-SCHWEFEL
ZELLEN
MIT
HOHER
SPEZIFISCHER
ENERGIE
.........................................................................................................
172
4.
EXPLORATION
DER
SILIZIUMANODEN
IN
LITHIUM-IONEN
ZELLEN
............................................
174
4.1
ENTWICKLUNG
EINER
ZYKLENSTABILEN
ZELLCHEMIE
IN
KNOPFZELLEN
..............................
174
4.2
DEMONSTRATION
DER
UEBERTRAGBARKEIT
IN
POUCHZELLEN
.............................................
180
4.3
FAZIT
UND
ANWENDUNGSDEMONSTRATION
DER
ENTWICKELTEN
LIB-POUCHZELLE
............
185
V)
ZUSAMMENFASSUNG
UND
AUSBLICK
..................................................................................
186
INHALTSVERZEICHNIS
IV
VI)
ANHANG
............................................................................................................................
192
VII)
QUELLENVERZEICHNIS
........................................................................................................214
VIII)
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS
..................................................................................................230
IX)
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
...................................................................................................
234
X)
TABELLENVERZEICHNIS
.......................................................................................................245
XI)
PUBLIKATIONSLISTE
..............................................................................................................247
1.
PUBLIKATIONEN
IN
JOURNALEN
MIT
PEER-REVIEW-VERFAHREN
...............................................247
2.
PATENTANMELDUNGEN
.......................................................................................................
247
3.
KONGRESSBEITRAEGE
...........................................................................................................
248
XII)
ERKLAERUNG
........................................................................................................................
249
|
| adam_txt |
INHALTSVERZEICHNIS
I
INHALTSVERZEICHNIS
I)
EINLEITUNG
UND
MOTIVATION
.
1
1.
BATTERIEENTWICKLUNG
IN
VERGANGENHEIT,
GEGENWART
UND
ZUKUNFT
.
1
1.1
ANALYSE
DES
SEKUNDAERBATTERIEMARKTES
.
2
1.2
TRENDS
DER
FORSCHUNG
AN
SEKUNDAERBATTERIEN
.
7
2.
ZIEL
DER
ARBEIT
.
9
II)
THEORETISCHER
HINTERGRUND
.
12
1.
ELEKTROCHEMISCHE
GRUNDLAGEN
UND
BATTERIEKENNGROESSEN
.
12
1.1
AUFBAU
UND
FUNKTIONSWEISE
EINER
ELEKTROCHEMISCHEN
ZELLE
.
12
1.2
BATTERIEKENNGROESSEN
.
15
1.2.1
THEORETISCHE
KAPAZITAET
UND
NENNKAPAZITAET
.
16
1.2.2
STROMSTAERKE
UND
C-RATE
.
16
1.2.3
SPANNUNGSPROFIL
.
16
1.2.4
ENERGIE
UND
LEISTUNG
.
17
1.2.5
COULOMB-
UND
ENERGIEEFFIZIENZ
.
17
1.2.6
ZYKLENSTABILITAET
UND
KALENDARISCHE
LEBENSDAUER
.
18
1.2.7
SICHERHEIT
UND
BATTERIEKOSTEN
.
18
1.3
ELEKTROCHEMISCHE
CHARAKTERISIERUNGSMETHODEN
.
18
1.3.1
CHRONOPOTENTIOMETRIE
.
18
1.3.2
ZYKLOVOLTAMMETRIE
.
19
1.3.3
ELEKTROCHEMISCHE
IMPEDANZSPEKTROSKOPIE
.
19
2.
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
.
20
2.1
FUNKTIONSWEISE
UND
MECHANISMEN
.
20
2.2
KATHODENAKTIVMATERIALIEN
.
21
2.3
ELEKTROLYT
.
23
2.4
SEPARATOREN
.
27
3.
LITHIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN
.
29
3.1
REAKTIONSMECHANISMEN,
ZELLDESIGN
UND
HERAUSFORDERUNGEN
.
29
3.2
KOMPOSIT-KATHODENMATERIALIEN
UND
-STRUKTUREN
.
33
3.3
ELEKTROLYTE
UND
SEPARATOREN
.
34
4.
ANODENMATERIALIEN
FUER
LITHIUM-BASIERTE
AKKUMULATOREN
.
38
4.1
KOHLENSTOFFMATERIALIEN
.
41
4.1.1
STRUKTURMODIFIKATIONEN
UND
DEREN
LITHIIERUNGSMECHANISMEN
.
41
4.1.2
BILDUNG
UND
EIGENSCHAFTEN
DER
ELEKTRODEN/ELEKTROLYTPASSIVIERUNGSSCHICHT
.
44
4.2
SILIZIUM
.
47
INHALTSVERZEICHNIS
4.2.1
LITHIIERUNGS-
UND
DELITHIIERUNGSMECHANISMEN
.
49
4.2.2
STRUKTURELLE
KLASSIFIKATION
.
51
4.2.3
ELEKTROLYTE
ZUR
STABILISIERUNG
DER
PASSIVIERUNGSSCHICHT
.
54
4.3
LITHIUM
.
55
4.3.1
MECHANISMEN
DER
ELEKTROCHEMISCHEN
LITHIUMABSCHEIDUNG
UND
-ABTRAGUNG.55
4.3.2
METHODEN
ZUR
HOMOGENISIERUNG
DER
LITHIUMABSCHEIDUNG
.
58
4.4
ALTERNATIVE
ANODENMATERIALIEN
.
62
4.5
ANFORDERUNGEN
AN
ANODEN
FUER
PRAKTIKABLE
LITHIUM-BASIERTE
AKKUMULATOREN
.
63
4.6
LITHIUM-BASIERTE
AKKUMULATOREN
MIT
ALTERNATIVEN
ANODENKONZEPTEN
.65
4.6.1
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
MIT
SILIZIUMBASIERTEN
ANODEN
.
65
4.6.2
LITHIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN
MIT
KOHLENSTOFF-
UND
SILIZIUMBASIERTEN
ANODEN
.67
III)
EXPERIMENTELLES
VORGEHEN
UND
METHODEN
.
69
1.
VERWENDETE
CHEMIKALIEN,
GERAETE
UND
HALBZEUGE
.
69
2.
ELEKTRODENHERSTELLUNG
UND
PROBENPRAEPARATION
.
72
2.1
SILIZIUMANODEN
.
72
2.2
LITHIUMMETALLANODEN
.
73
2.3
HARD-CARBON-ANODEN
.
73
2.4
KOHLENSTOFF/SCHWEFEL-KATHODE
.74
2.5
NAFION-BESCHICHTUNG
DES
CELGARD
2500-SEPARATOR
.
74
2.6
HERSTELLUNG
DER
ELEKTROLYTE
.
74
3.
CHARAKTERISIERUNGSMETHODEN
.
75
3.1
CHARAKTERISIERUNG
DER
STRUKTUR
UND
ZUSAMMENSETZUNG
.
75
3.1.1
RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE
.
75
3.1.2
RAMANSPEKTROSKOPIE
.75
3.1.3
FTIR-SPEKTROSKOPIE
.
75
3.1.4
ROENTGENDIFFRAKTOMETRIE
.
76
3.1.5
IN-SITU
SYNCHROTRON
ROENTGENDIFFRAKTOMETRIE
.
76
3.1.6
KONFOKALMIKROSKOPIE
.
76
3.2
ELEKTROCHEMISCHE
CHARAKTERISIERUNG
.
76
3.2.1
KNOPF-
UND
POUCHZELLBAU
.
76
3.2.2
GALVANOSTATISCHES
ZYKLIEREN
.
79
3.2.3
ZYKLOVOLTAMMETRIE
.
81
3.2.4
RUECKGEWINNUNG
VON
ELEKTRODEN
.
81
3.3
ANWENDUNGSDEMONSTRATION
.
81
INHALTSVERZEICHNIS
III
IV)
ERGEBNISSE
UND
DISKUSSION
.
82
1.
EINFLUSS
VON
ANODENPARAMETERN
AUF
DIE
ENERGIEDICHTE
UND
SPEZIFISCHE
ENERGIE
VON
LITHIUM-IONEN
UND
LITHIUM-SCHWEFEL
ZELLEN
.
83
1.1
BETRACHTUNG
DER
AKTIVMATERIALIEN
.
83
1.2
BETRACHTUNGEN
DER
ZELLSTAPELKOMPONENTEN
.
85
1.3
FAZIT
.
89
2.
ANALYSE
KOMPETITIVER
ANODENMATERIALIEN
UND
-STRUKTUREN
.
90
2.1
SILIZIUMANODEN
.
90
2.1.1
EINFLUSS
DER
ANODENSTRUKTUR
UND
-ZUSAMMENSETZUNG
.
90
2.1.2
EINFLUSS
DER
KAPAZITAETSLIMITIERUNG
.
117
2.1.3
EINFLUSS
DES
ELEKTROLYTEN
UND
DER
GEGENELEKTRODE
.
124
2.1.4
FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
FUER
DIE
ENTWICKLUNG
VON
SILIZIUMANODEN
.
131
2.2
LITHIUMMETALLANODEN
.
133
2.2.1
ELEKTROCHEMISCHE
ABSCHEIDUNG
VON
LITHIUMMETALL
AUF KUPFERFOLIE
.
133
2.2.2
SYMMETRISCHE
LITHIUM-LITHIUM-ZELLEN
MIT
LIMITIERTER
LITHIUMMENGE
.
138
2.2.3
FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
ZUR
BEWERTUNG
DER
REVERSIBILITAET
VON
LITHIUMMETALLANODEN
.
141
2.3
KOHLENSTOFFANODEN
.
142
2.4
FAZIT
UND
VERGLEICH
DER
ANODENKONZEPTE
.
145
3.
EXPLORATION
DER
ANODENKONZEPTE
IN
LITHIUM-SCHWEFEL
ZELLEN
.
148
3.1
BEWERTUNG
DER
ZYKLENSTABILITAET
VON
KOHLENSTOFF/SCHWEFEL-KATHODEN
.
148
3.1.1
HALBZELLEN
MIT
LITHIUMMETALLANODEN
VON
HOHEM
LITHIUMUEBERSCHUSS
.
148
3.1.2
SYMMETRISCHE
LITHIUMSULFID
-
SCHWEFEL
ZELLEN
.
150
3.1.3
FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
.
157
3.2
ENTWICKLUNG
VON
LITHIUM-SCHWEFEL
VOLLZELLEN
.
158
3.2.1
VOLLZELLEN
MIT
GALVANISCH
ABGESCHIEDENEN
LITHIUMMETALLANODEN
.
158
3.2.1
VOLLZELLEN
MIT
LITHIIERTEN
HARD-CARBON
ANODEN
.
163
3.2.2
VOLLZELLEN
MIT
LITHIIERTEN
SILIZIUMANODEN
.
166
3.2.3
VERGLEICH
DER
ANODENKONZEPTE
IN
LITHIUM-SCHWEFEL
VOLLZELLEN
.
170
3.3 FAZIT
UND
ERKENNTNISSE
FUER
DIE
ENTWICKLUNG
VON
LITHIUM-SCHWEFEL
ZELLEN
MIT
HOHER
SPEZIFISCHER
ENERGIE
.
172
4.
EXPLORATION
DER
SILIZIUMANODEN
IN
LITHIUM-IONEN
ZELLEN
.
174
4.1
ENTWICKLUNG
EINER
ZYKLENSTABILEN
ZELLCHEMIE
IN
KNOPFZELLEN
.
174
4.2
DEMONSTRATION
DER
UEBERTRAGBARKEIT
IN
POUCHZELLEN
.
180
4.3
FAZIT
UND
ANWENDUNGSDEMONSTRATION
DER
ENTWICKELTEN
LIB-POUCHZELLE
.
185
V)
ZUSAMMENFASSUNG
UND
AUSBLICK
.
186
INHALTSVERZEICHNIS
IV
VI)
ANHANG
.
192
VII)
QUELLENVERZEICHNIS
.214
VIII)
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS
.230
IX)
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
.
234
X)
TABELLENVERZEICHNIS
.245
XI)
PUBLIKATIONSLISTE
.247
1.
PUBLIKATIONEN
IN
JOURNALEN
MIT
PEER-REVIEW-VERFAHREN
.247
2.
PATENTANMELDUNGEN
.
247
3.
KONGRESSBEITRAEGE
.
248
XII)
ERKLAERUNG
.
249 |
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