Structure and properties of supercapacitor and lithium-ion battery electrodes: the role of material, electrolyte, binder and additives

Abstract

Key parts of an electrochemical energy storage device are the active material, the electrolyte, the binder, and the conductive additives. This dissertation investigates the role of such individual components on the device’s overall performance and how they interact with each other to influence the device’s ability to store energy and longevity. Three aspects of the performance of electric double-layer capacitors are investigated: (1) The role of the conductive additives on performance and longevity, where 5 wt% admixture shows the best capability. (2) The role of the active material and the electrolyte with an increased capacitance when the pore width matches the ion size. (3) The volumetric expansion of carbon electrodes during charging is depending on the size ratio of the ions and the pore width. Further, an asymmetry in charging mechanism is found for two-dimensional metal carbides, MXenes, in ionic liquids. The charging mechanism is based on cation (de-)intercalation. The role of binder properties on the performance of battery electrodes was investigated with intercalation-induced volumetric changes of the active material. Moreover, the multi-length scale approach using different in situ measurement techniques reveals a promising way to understand mechanisms in electrochemical energy storage devices. The combination of dilatometry with quartz-crystal microbalance, X-ray diffraction or small-angle X-ray scattering shed light on potential-induced structural changes in the systems.

Vier wichtige Bestandteile einer elektrochemischen Energiespeicherzelle sind aktives Material, Elektrolyt, Binder und Leitruß. In dieser Dissertation wird der Einfluss dieser Bestandteile untereinander und auf die elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Drei Themenkomplexe werden in Bezug auf elektrische Doppelschichtkondensatoren untersucht: (1) Die Rolle von leitfähigen Additiven auf Leistung und Langlebigkeit, wobei eine 5 %-ige Beimischung die beste Leistung zeigt. (2) Die Rolle des aktiven Materials und des Elektrolyten mit einer erhöhten Kapazität, wenn die Porenbreite mit der Ionengröße übereinstimmt. (3) Die volumetrische Ausdehnung von Kohlenstoffelektroden während des Ladens hängt von dem Größenverhältnis der Ionen und der Porenweite ab. Es wurde eine Asymmetrie im Lademechanismus bei zweidimensionalen Metallkarbiden, MXenen, in ionischen Flüssigkeiten gemessen. Der Lademechanismus basiert auf Kationeninterkalation. Für ein Batteriesystem mit interkalationsbedingter Volumenänderung des aktiven Materials wurde der Einfluss vom Binder auf die Leistung untersucht. Darüber hinaus zeigt der Multi-Längenskalen-Ansatz mit verschiedenen in-situ-Messmethoden eine vielversprechende Möglichkeit um Mechanismen in elektrochemischen Energiespeichern zu verstehen. Die Kombination von Dilatometrie mit entweder Quarzkristall-Mikrowaage, Röntgenbeugung oder Kleinwinkel-Röntgenstreuung konnte ladungsinduzierte Strukturänderungen im System zeigen.