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Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien in Abhängigkeit des Stromabnehmers, des Binders und der Verdichtung sowie die Bewertung einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt

Wennig, Sebastian

Eine große Herausforderung des 21. Jahrhunderts stellt die Bereitstellung von Energie unter gleichzeitiger Reduzierung der globalen Schadstoffemissionen dar. Zur Realisierung dieses Ziels sind effiziente, kostengünstige sowie umweltfreundliche Energiespeichersysteme notwendig. Lithium-Ionen-Batterien sind hierbei aussichtsreiche Kandidaten für derartige Speichersysteme. Neben der elektrochemisch aktiven Komponente wird das elektrochemische Verhalten von Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden durch elektrochemisch inaktive Materialien sowie durch die Elektrodenarchitektur beeinflusst. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hierbei mit der Struktur-Eigenschafts-Beziehung von Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden. Als Anodenmaterial dient das sichere sowie hochleistungsfähige Li4Ti5O12 und als Kathodenmaterial fungiert das sichere, umweltfreundliche und kostengünstige LiFePO4. Ein guter elektrischer Kontakt zwischen der Aktivmasse und dem Stromabnehmer ist notwendig, um einen schnellen Elektronentransfer zwischen diesen beiden Komponenten zu realisieren. Um diesen Transfer zu beeinflussen, wurde die Oberfläche von den metallischen Stromabnehmern chemisch modifiziert. Mit chemischen, elektrochemischen sowie strukturaufklärenden Analysemethoden werden die Wechselwirkungen zwischen dem Stromabnehmer und der Aktivmasse als Funktion des Stromabnehmers und des Bindersystems diskutiert. Ferner wurde die Mikrostruktur von Elektroden mittels Verdichtung gezielt modifiziert. Anhand von elektrochemischen Messungen werden Schlussfolgerungen über die ionische und elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Verdichtungsgrades gewonnen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Primärpartikelgröße des LiFePO4 auf die Elektrodenmikrostruktur sowie auf das elektrochemische Verhalten diskutiert. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit stellt die Erhöhung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien dar. Üblicherweise werden in Lithium-Ionen-Batterien Elektrolyte auf der Basis organischer Carbonate eingesetzt. Solche Carbonate sind leicht entflammbar und weisen somit ein erhebliches Gefahrenpotential auf. Um diese Gefahrenquelle zu vermeiden wird die Funktionalität der schwer entflammbaren, ionischen Flüssigkeit N-Methoxyethyl-N-methylmorpholinium Bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imid als Elektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien bewertet.

To ensure the energy demand and to reduce simultaneously the global pollution is one of the most important challenges within the 21st century. Low-cost, efficient as well as environmentally friendly energy storage media are essential to meet these requirements. Among these lithium-ion batteries represent one of the most promising candidates. The electrochemistry of electrodes for lithium-ion batteries is influenced by the electrochemically active material, electrochemically inactive materials as well as by the electrode architecture. This work concerns with the structure-property relation of lithium-ion battery electrodes. The safe and the high-power capable Li4Ti5O12 serves as anode material and the safe, environmentally-friendly and low-cost LiFePO4 acts as cathode material. A good electrical con-tact between the active mass and the current collector is crucial to realize a fast electron transfer between these two components. To influence this transfer the surface of the metallic current collectors was chemically modified. Depending on the different current collectors and on the binder system the interactions between the current collector and the active mass using chemical, electrochemical as well as optical analytical methods are investigated. Furthermore, the structure of the electrodes was intentionally modified by compressing. With the help of electrochemical measurements the ionic and the electrical conductivity of such electrodes as a function of the compression is discussed. In addition the impact of the primary particle size of LiFePO4 on the structure and on the electrochemistry is shown. Besides these investigations safety concerns of lithium-ion batteries are pointed out. Usually the electrolytes for lithium-ion batteries are based on organic carbonates. However, such electrolytes are easily flammable resulting in a significant hazard potential. To eliminate that source of danger the functionality of the flame resistant ionic liquid N-Methoxyethyl-N-methylmorpholinium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide is evaluated as an alternative electrolyte for lithium ion batteries.

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Wennig, Sebastian: Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien in Abhängigkeit des Stromabnehmers, des Binders und der Verdichtung sowie die Bewertung einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt. 2015.

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