Continuous wet-chemical synthesis and pyrolysis of inorganic-organic hybrid materials based on polyoxomolybdates and their electrochemical performance as anode materials in lithium-ion batteries

Abstract

Continuous wet-chemical synthesis of scale surface area particles in the micro- to nanometer range is possible with the microjet reactor. Synthesis involving the microjet reactor is a sustainable, low-energy process that can be used to achieve high throughputs with high reproducibility. These factors are especially important for industrial applications. In this dissertation, inorganic-organic hybrid materials were synthesized through the aqueous precipitation reaction with ammonium heptamolybdate (AHM) and different organic species, namely para-phenylenediamine (PPD), 1,8-diaminonaphthalene (1,8-DAN) or hexamethylenediamine (HMD). Systematic studies were performed by varying the ratios of the reactants. Varying molar ratios of molybdates to organic species and pH resulted in different crystalline hybrid compounds. By pyrolyzing these inorganic-organic hybrid precursors, mixtures of molybdenum carbide, nitride, oxide, elemental Mo and mixed anionic compounds such as Mo(C,N,O)x composites embedded in a carbonaceous matrix can be obtained. The morphology of the starting materials is also preserved after pyrolysis. Since morphology is a key property for Li-ion battery performance, this process is particularly suitable for Li-ion battery material synthesis.

Die kontinuierliche nasschemische Synthese von Partikeln mit skalierter Oberfläche im Mikro- bis Nanometerbereich ist mit dem Mikrojetreaktor möglich. Die Synthese mit dem Mikrojetreaktor ist ein nachhaltiges, energiearmes Verfahren, mit dem sich hohe Durchsätze bei hoher Reproduzierbarkeit erzielen lassen. Diese Faktoren sind für industrielle Anwendungen besonders wichtig. In dieser Dissertation wurden anorganisch-organische Hybridmaterialien durch die wässrige Fällungsreaktion mit Ammoniumheptamolybdat (AHM) und verschiedenen organischen Spezies, nämlich para-Phenylendiamin (PPD), 1,8-Diaminonaphthalin (1,8-DAN) oder Hexamethylendiamin (HMD), synthetisiert. Es wurden systematische Studien durchgeführt, indem die Verhältnisse der Reaktanten variiert wurden. Unterschiedliche molare Verhältnisse von Molybdaten zu organischen Spezies und der pH-Wert führten zu verschiedenen kristallinen Hybridverbindungen. Durch Pyrolyse dieser anorganisch-organischen Hybridvorläufer können Mischungen aus Molybdäncarbid, -nitrid, -oxid, elementarem Mo und gemischten anionischen Verbindungen wie Mo(C,N,O)x-Verbindungen, die in eine kohlenstoffhaltige Matrix eingebettet sind, erhalten werden. Die Morphologie der Ausgangsmaterialien bleibt auch nach der Pyrolyse erhalten. Da die Morphologie eine Schlüsseleigenschaft für die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien ist, eignet sich dieses Verfahren besonders gut für die Materialsynthese von Lithium-Ionen-Batterien.