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Developing electrodes for structural composite batteries
Patrick Steindl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Alexander Bismarck
DOI
10.25365/thesis.36708
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29154.12705.695259-2
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Berichtet wird von Methoden zur Herstellung neuartiger Elektroden, mit dem Potential, die Leistungsfähigkeit von strukturellen Komposit-Batterien zu erhöhen. Durch multifunktionelle Verbundstoffe, die sowohl strukturgebend sind als auch als Energiespeicher dienen, könnte die Abhängigkeit von herkömmlichen Batterien in zahlreichen Anwendungen reduziert werden, indem Energie zusätzlich von strukturellen Komponenten zur Verfügung gestellt wird.
In Elektroautos würde dies zu einer drastischen Reduzierung des Gewichts und folglich zu einer größeren Reichweite und geringerem Treibstoffverbrauch führen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kathoden durch elektrophoretische Abscheidung (EPD) von Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) auf Kohlenstofffasern hergestellt. Carbon Black (aktivierter Kohlenstoff) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) wurden zur Verbesserung von Leitfähigkeit und Kohäsion hinzugefügt. Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersive Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX) zeigten eine homogene Beschichtung mit einer gleichmäßigen Verteilung der Materialien auf der Faseroberfläche. Die elektrischen Eigenschaften von mit LiFePO4 beschichteten Fasern wurden durch galvanostatisches Zyklisieren ermittelt. Ein während der Ladeperiode überwiegend flaches Potential und ein ausgeprägtes Spannungsplateau spiegeln klar die Charakteristika des reinen Kathodenmaterials wider. Während beim Aufladen Kapazitäten von bis zu 260 mAh/g erreicht wurden, betrug die maximale Entladungskapazität nur 44% des theoretischen Wertes von LiFePO4.
Gleichermaßen wurden Anoden erzeugt, indem mittels Galvanisierung Germanium- und Silizium-Nanopartikel auf Kohlenstofffasern abgeschieden wurden. Die Fähigkeit dieser beiden Materialien Lithium-Ionen einzulagern, ist um ein Vielfaches höher als bei konventionellen Anodenmaterialien (z.B. Graphit).
Weiters wurden Methoden zur Erzeugung von strukturellen Batterien entwickelt. Durch Kombination der beschichteten Fasern mit einem Feststoffelektrolyten, welcher sowohl als Matrix als auch Separator fungierte, konnten Komposite hergestellt werden.
Abstract
(Englisch)
Methods to produce novel electrodes that could improve the performance of structural composite batteries are reported. These multifunctional composites could reduce the dependence on conventional batteries in a number of applications by supplementing power through the structural components. In vehicles this would lead to significant weight savings that would improve performance and lower fuel consumption.
In this study electrophoretic deposition (EPD) was used to manufacture cathodes by depositing lithium iron phosphate (LiFePO4) onto carbon fibres. Carbon black and PVDF were added to improve conductivity and cohesion. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) showed that the materials were evenly dispersed on the fibre surface and uniform particle layers could be observed. The electrical performance of LiFePO4 coated fibres was evaluated by galvanostatic cycle tests. A flat potential over the charging period and a pronounced voltage plateau clearly exhibit the characteristics of the pristine cathode material. While during charging capacities as high as 260 mAh/g could be reached, discharge capacities did not exceed 44% of the theoretical capacity of LiFePO4.
Similarly, anodes were manufactured by electrocoating nanocrystalline Ge and Si onto carbon fibres. These nanoparticles have a higher lithium ion storage capacity than typical anode materials (e.g. graphite). However, the EPD-procedure still needs optimization.
Additionally, methods for creating structural batteries have been developed. These composites are manufactured by combining the coated carbon fibre electrodes with a solid polymer electrolyte (SPE), in which the SPE acts as both the matrix and the separator.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
multifunctional materials structural battery LiFePO4 carbon fibres nanoparticles silicon germanium electrophoretic deposition solid polymer electrolyte
Schlagwörter
(Deutsch)
multifunktionelle Materialien strukturelle Batterie LiFePO4 Kohlenstofffasern Nanopartikel Silizium Germanium elektrophoretische Abscheidung Feststoffelektrolyt
Autor*innen
Patrick Steindl
Haupttitel (Englisch)
Developing electrodes for structural composite batteries
Paralleltitel (Deutsch)
Entwicklung von Elektroden für strukturelle Komposit-Batterien
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
105 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Alexander Bismarck
AC Nummer
AC12619330
Utheses ID
32538
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |