Next generation (hybrid) battery materials at the water/energy/recycling nexus

Abstract

Transitioning toward large-scale utilization of renewable energy necessitates environmentally friendly energy storage technology. Especially for electrochemical energy storage, it is imperative to develop electrode materials with higher performance, better recyclability, and improved environmental friendliness. Such next-generation materials and technologies not only allow for enhanced energy storage but also enable electrochemical desalination to generate clean, potable water or recover precious elements, such as lithium ions. This thesis develops novel (hybrid) materials for the energy/water/recycling nexus. Careful material design and optimization enable improved electrochemical performance of intercalation, alloying, and conversion electrodes for lithium-ion and sodium-ion battery electrodes. For example, members of the large 2D material family MXene yield high-performance electrodes when hybridized with SnO2 or Sb, or when their interlayer space is carefully adjusted. Their 2D nature allows also a new approach to facile electrode recycling. Next-generation water remediation is explored by adopting, for the first time, an alloying material (Sb), hollow-cube cobalt hydroxide, and seawater batteries. Selective lithium extraction is demonstrated by combining a redox flow battery with a Li-selective ceramic membrane to harvest lithium ions directly from (synthetic) seawater.

Der Übergang zu einer groß angelegten Nutzung erneuerbarer Energien erfordert eine umweltfreundliche Energiespeichertechnologie. Insbesondere für die elektrochemische Energiespeicherung ist es unerlässlich, Elektrodenmaterialien mit höherer Leistung, besserer Wiederverwertbarkeit und verbesserter Umweltfreundlichkeit zu entwickeln. Solche Materialien und Technologien der nächsten Generation ermöglichen nicht nur eine verbesserte Energiespeicherung, sondern auch die elektrochemische Entsalzung zur Erzeugung von sauberem Trinkwasser oder die Rückgewinnung wertvoller Elemente wie Lithium-Ionen. Im Rahmen dieser Arbeit werden neuartige (hybride) Materialien an der Schnittstelle zwischen Energie, Wasser und Recycling entwickelt. Sorgfältiges Materialdesign und -optimierung ermöglichen eine verbesserte elektrochemische Leistung von Interkalations-, Legierungs- und Umwandlungselektroden für Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterieelektroden. Die Vertreter der großen 2D-Materialfamilie MXene beispielsweise liefern Hochleistungselektroden, wenn sie mit SnO2 oder Sb kombiniert werden oder wenn ihr Zwischenschichtabstand sorgfältig angepasst wird. Ihre 2D-Natur ermöglicht auch einen neuen Ansatz für ein einfaches Elektrodenrecycling. Die nächste Generation der Wasseraufbereitung wird erforscht, indem zum ersten Mal ein Legierungsmaterial (Sb), Kobalthydroxid Hohlwürfel und Meerwasserbatterien eingesetzt werden. Die selektive Lithiumextraktion wird durch die Kombination einer Redox-Flow-Batterie mit einer Li-selektiven Keramikmembran demonstriert, um Lithiumionen direkt aus (synthetischem) Meerwasser zu gewinnen.