MOE-Fellowship

Gintare Gece

Investigation of polyanionic electrode materials by advanced analysis and diagnostic tools for Sodium-ion batteries which would be applicable for safe and environmentally friendly large-scale stationary energy storage systems

Der zunehmende Verbrauch fossiler Brennstoffe, die nach wie vor die wichtigste Energiequelle der Welt sind, und der Ausstoß von CO2 haben zu zahlreichen schwerwiegenden Problemen wie Umweltverschmutzung und Klimawandel gefĂŒhrt [1]. Um die Ziele des Pariser Klimaabkommens hinsichtlich des kĂŒnftigen Energiebedarfs [2] und der KlimaneutralitĂ€t bis 2050 [3] zu erreichen, wird die Entwicklung erneuerbarer Energiequellen immer dringlicher. Obwohl die durch Windturbinen, Sonnenkollektoren oder Wasserkraft erzeugte ElektrizitĂ€t sauber und sicher ist, ist die Versorgung unstetig und erfordert groß angelegte Speichervorrichtungen, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Die elektrochemische Energiespeicherung hat viele wĂŒnschenswerte Eigenschaften, wie z. B. einen umweltfreundlichen Betrieb, einen hohen Wirkungsgrad, einen großen Leistungs- und Energiebereich, eine lange Lebensdauer und einen geringen Wartungsaufwand sowie eine einfache Integration in das Stromnetz [4, 5]. Batterien sind elektrochemische GerĂ€te, welche die in den aktiven Materialien gespeicherte chemische Energie hocheffizient durch elektrochemische Oxidations- und Reduktionsreaktionen direkt in elektrische Energie umwandeln. Heutzutage gibt es viele verschiedene Arten von Batterien, allerdings sind Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) am weitesten verbreitet und werden in fast allen tragbaren GerĂ€ten, Elektrofahrzeugen oder stationĂ€ren Stromspeichern eingesetzt [7]. Die wachsende Nachfrage nach Lithium und sein geringes Vorkommen in der Erdkruste, vor allem in abgelegenen oder politisch sensiblen Gebieten, erschweren jedoch seine Gewinnung und machen die Preise sehr instabil [8,9]. DarĂŒber hinaus werden in LIBs derzeit leicht entflammbare, feuchtigkeitsempfindliche organische Elektrolyte verwendet, die die grĂ¶ĂŸte Gefahrenquelle darstellen [9, 10].

Natrium-Ionen-Batterien (SIB) wurden in den 80er Jahren parallel zu den LIB untersucht. Obwohl Natrium in vielerlei Hinsicht dem Lithium Ă€hnelt, gibt es einige Unterschiede zwischen den beiden Metallen, die zu abweichenden chemischen Eigenschaften und elektrochemischen Leistungen fĂŒhren [7]. Natrium hat einen grĂ¶ĂŸeren Ionenradius und ein grĂ¶ĂŸeres Atomgewicht, was zu geringeren volumetrischen und gravimetrischen KapazitĂ€ten fĂŒhrt, was den Einsatz von SIB fĂŒr tragbare und mobile Anwendungen einschrĂ€nkt. SIBs sind jedoch die attraktivsten Kandidaten fĂŒr groß angelegte stationĂ€re Energiespeicheranwendungen und Und Kurzstrecken-Elektroautos. Aufgrund der reichlich vorhandenen und gut verteilten Natriumvorkommen gelten die SIBs als kostengĂŒnstige, sichere, stabile und ungiftige Alternative. DarĂŒber hinaus können bei der SIB-Technologie wĂ€ssrige Elektrolyte verwendet werden, die sehr leitfĂ€hig, sicher und umweltfreundlich sind [5], was die SIBs fĂŒr groß angelegte stationĂ€re Anwendungen noch attraktiver macht.Die Hauptaufgabe eines sechsmonatigen Forschungsstipendiums, das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanziert wurde, bestand darin, Die polyanionische SIB-Elektrodenmaterialien, die im Rahmen meiner Doktorarbeit bereits wĂ€hrend hergestellt wurden, mit Hilfe von fortschrittlichen Analyse- und Diagnosewerkzeugen, die am Helmholtz-Institut Ulm/Karlsruher Institut fĂŒr Technologie (HIU/KIT) zur VerfĂŒgung stehen, genauer zu untersuchen. Mehrere potenzielle wĂ€ssrige SIB-Kathoden-/Anodenmaterialien wie NaTi2(PO4)3, Na4Fe3(PO4)2(P2O7), Na4Mn3(PO4)2(P2O7), Na7V4(PO4)(P2O7)4 und Na4VFe(PO4)3 wurden bereits wĂ€hrend meiner ersten beiden Promotionsjahre synthetisiert und wĂ€hrend dieses Stipendiums durch galvanostatische, potentiostatische Zyklen, Operando-Röntgenbeugung, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und elektrochemische Impedanzspektroskopie untersucht. Der Einfluss der ElektrodenprĂ€paration auf die elektrochemische Leistung wurde untersucht. DarĂŒber hinaus wurden verschiedene wĂ€ssrige Elektrolyte, wie z. B. hochkonzentriertes 17m NaClO4, sowie organische (nichtwĂ€ssrige) Elektrolyte mit allen Elektrodenmaterialien getestet.

 

Verweise: [1] G.-L. Xu, R. Amine, A. Abouimrane, H. Che, M. Dahbi, Z.-F. Ma, I. Saadoune, J. Alami, W.L. Mattis, F. Pan, Z. Chen, K. Amine, Challenges in Developing Electrodes, Electrolytes, and Diagnostics Tools to Understand and Advance Sodium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1702403. [2] The Paris Agreement. https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement. [3] Implementing the SET Plan 2020 report. https://setis.ec.europa.eu/implementing-set-plan-2020-report-2020-11-23_en. [4] D. Kundu, E. Talaie, V. Duffort, L.F. Nazar, The emerging chemistry of sodium ion batteries for electrochemical energy storage, Angew Chem Int Ed Engl, 54 (2015) 3431-3448. [5] J.B. Goodenough, Evolution of strategies for modern rechargeable batteries, Acc Chem Res, 46 (2013) 1053-1061. [6] D. Linden, T.B. Reddy, Handbook of batteries, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, 2002, 21 [7] P.K. Nayak, L. Yang, W. Brehm, P. Adelhelm, From Lithium-Ion to Sodium-Ion Batteries: Advantages, Challenges, and Surprises, Angew Chem Int Ed Engl, 57 (2018) 102-120. [8] S. Il Park, I. Gocheva, S. Okada, J. Yamaki, Electrochemical Properties of NaTi2(PO4)(3) Anode for Rechargeable Aqueous Sodium-Ion Batteries, J Electrochem Soc, 158 (2011) A1067-A1070. [9] C. Vaalma, D. Buchholz, M. Weil, S. Passerini, A cost and resource analysis of sodium-ion batteries, Nature Reviews Materials, 3 (2018) 18013.

 

 


Übersicht

Förderzeitraum

20.02.2022 - 19.08.2022

Institut

Karlsruher Institut fĂŒr Technologie (KIT) Helmholtz Institut Ulm fĂŒr Elektrochemische Energiespeicher (HIU)

Betreuer

Prof. Dr. Stefano Passerini

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