Entwicklung neuer Anodenmaterialien auf Basis von Kupfer, Eisen und Schwefel

Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf der Untersuchung ternärer Kupfer-Eisen-Sulfide als potentielle Anodenmaterialien in Natrium-Ionen-Batterien (NIB). Die drei Verbindungen CuFeS2, CuFe2S3 und Cu5FeS4 wurden mittels Hochtemperatursynthese als Volumenmaterial synthetisiert und ohne zusätzliche Behandlung als Anodenmaterial für NIB getestet. Um die elektrochemische Leistungsfähigkeit zu erfassen, wurden galvanostatische und potentiostatische Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen unter anderem eine gute Langzeitstabilität als auch eine hervorragende Ratenstabilität für alle Materialien.

Um ein besseres Verständnis über Reaktionsmechanismen dieser Materialklasse in NIB zu erhalten, wurde bei unterschiedlichen Natriumaufnahme- und Abgabestufen die Entladung bzw. Ladung abgebrochen, und mit unterschiedlichen Methoden untersucht. Neben Standardmethoden wie Röntgendiffraktotmetrie wurden auch spezielle Techniken wie Röntgenabsorptionsspektroskopie, Mößbauer- oder Festkörper-Kernspinresonanz-Spektroskopie eingesetzt. Mit dieser Kombination an Methoden konnten die elektronischen und strukturellen Zustände der einzelnen Abbruchstufen umfassend charakterisiert werden. Positive Synergieeffekte sollten auch bei Multielementverbindungen zu beobachten sein. Das war die Motivation, um in dieser Dissertation ein weiteres innovatives Material zu synthetisieren und zu charakterisieren: einen entropie-stabilisierten Spinell mit der Zusammensetzung Mn0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2Fe2O4. Bei der Charakterisierung dieses Materials wurde ersichtlich, dass ein TEM-Mapping und ein Röntgenpulverdiffraktogramm nicht ausreichen, um solch ein komplexes Material als einphasig und/oder entropiestabilisiert einzuordnen.

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