English Title: Investigation of lithium-rich antiperovskites and nanostructured transition metal compounds for lithium-ion-batteries

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften von potenziellen Anoden- und Kathodenmaterialien für die nächste Generation an Lithium-Ionen-Batterien. Als potenzielle Anodenmaterialien werden aufgrund ihrer Konversionsreaktionen multielektronenspeicherfähige Fe3O4-, MoO2-sowie MoS2-Nano-Kohlenstoffkomposite untersucht. Auf der Kathodenmaterialseite wirddie Klasse der lithiumreichen Antiperowskite, welche sowohl kationische als auch anionische Redoxaktivität aufweisen, beispielhaft anhand von (Li2Fe)SeO studiert. Die physikalische Charakterisierung erfolgt mittels Röntgendiffraktometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Magnetisierungsmessungen. Zyklische Voltammetrie, galvanostatische Zyklierung und potentiostatische elektrochemische Impedanzspektroskopie geben Aufschluss über die elektrochemischen Eigenschaften. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen für Fe3O4@HCS in Zyklus 250 eine Kapazität von 1050 mAh g−1, welche deutlich über der theoretischen Kapazität von 694 mAh g−1 liegt. Der Ursprung der zusätzlichen Kapazität der Fe3O4-Nanopartikel konnte auf eine während des Zyklierens sich auf- und abbauende kapazitäre Oberflächenschicht zurückgeführt werden. Die vorgestellten MoO2-Kohlenstoffkomposite zeigen, dass auch mit preisgünstigen Kohlenstoffquellen eine kompetitive elektrochemische Performance erreicht werden kann und dass sowohl die Partikelgröße als auch der Kohlenstoffgehalt einen entscheidenden Einfluss auf die elektrochemische Performance besitzen. Studien an blumenartigen Graphen-MoS2 offenbaren die intrinsischen physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften des Materials. Die durchgeführten Untersuchungen am lithiumreichen Antiperowskit (Li2Fe)SeO belegen dessen vielversprechende elektrochemische Eigenschaften. Das festkörpersynthetisierte (Li2Fe)SeO erreicht eine Kapazität von 225 mAh g−1 bei einer Stromdichte von 0,1C. Des Weiteren wurde die Ursache für die schlechte Zyklenstabilität der lithiumreichen Antiperowskite gefunden und ein Verfahren zur Verbesserung der Zyklenstabilität vorgestellt.

Translation of abstract (English)

This thesis studies the physical and electrochemical properties of potential anode and cathode materials for the next generation of lithium-ion-batteries. In this context, the conversion-based multielectron storage materials Fe3O4-, MoO2- as well as MoS2 nano carbon composites are investigated as potential anode materials. On the cathode material side, the class of lithium-rich antiperovskites, which exhibit both cationic and anionic redox activity, is studied using (Li2Fe)SeO as an example. The physical characterization is performed by means of X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy and magnetization measurements. Cyclic voltammetry, galvanostatic cycling, and potentiostatic electrochemical impedance spectroscopy provide information on the electrochemical properties. The results presented show for Fe3O4@HCS a capacity of 1050 mAh g−1 in cycle 250, which is significantly higher than the theoretical capacity of 694 mAh g−1. The origin of the additional capacity could be attributed to a build-up and down capacitative surface layer. In the case of the presented MoO2/carbon composite, competitive electrochemical performance is achieved with low-cost carbon sources. Moreover, the results demonstrate that both particle size and carbon content have a crucial impact on the electrochemical performance. Studies on flower-like graphene MoS2 reveal the materials intrinsic physical and electrochemical properties. Investigations on the lithiumrich antiperovskite (Li2Fe)SeO displays promising electrochemical properties of 225 mAh g−1 at 0.1C. Furthermore, the underlying cause behind the poor cycling stability was determined and a way to improve cycling stability presented.