Sodium ion conducting ceramics for sodium ion batteries

Naqash, Sahir; Guillon, Olivier (Thesis advisor); Schneider, Jochen Michael (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt / Energy & environment 451
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (vii, 134 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Der überwältigende Bedarf an Energiespeicher-Technologien zwingt die Wissenschaft dazu, andere Optionen als die kommerziell verfügbaren Lithium-Ionen Batterien zu erforschen. Eine vielversprechende Alternative stellt die Natrium-Ionen Technologie dar, welche auf einem ähnlichen Funktionsprinzip beruht, jedoch über ergiebigere und leicht verfügbare Rohstoffe zu günstigen Preisen verfügt. Außerdem sind Lithium-Ionen Batterien bislang nur mit flüssigem Elektrolyten kommerziell erhältlich. Dieser Flüssigelektrolyt stellt ein ernstzunehmendes Sicherheitsrisiko im Falle einer Leckage dar, bei der es zum Kurzschluss und einem Brand durch Überhitzung der Batterie kommen kann. Aus diesen Grund bietet ein Festkörperelektrolyt einen möglichen Ansatz, um die Sicherheitsanforderungen nach dem aktuellen Stand der Technik sicherzustellen. Diese Arbeit wurde durchgeführt, um eine Natrium-ionenleitende Keramik zu entwickeln, die sich für den Einsatz in Na+ Festkörperbatterien eignet. Unter verschiedenen anderen Optionen wurden NASICON-Materialien ausgewählt, da diese Keramiken dafür bekannt sind, dass sie im Idealfall hohe ionische Leitfähigkeiten von bis zu 4 mS cm-1 zu erreichen. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf die Werkstoff- und Herstellungseigenschaften dieser Materialien. Sie kann in zwei Abschnitte unterteilt werden: 1) Synthese und Herstellung und 2) Werkstoffentwicklung und Zusammensetzung.Im ersten Teil liegt der Fokus auf der Synthese und Verarbeitung des reinen NASICON Materials mit der Zusammensetzung Na3Zr2Si2PO12. Zunächst wurde ein Syntheseansatz mit Hilfe einer lösungsunterstützten Festkörperreaktion durchgeführt und mit einem Ansatz nach der Pechini-Methode verglichen. Anschließend wurde das Na3Zr2Si2PO12 bei verschiedenen Sinterbedingungen prozessiert, um ein besseres Verständnis über die Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und Leitfähigkeit des Materials zu erlangen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Werkstoffentwicklung, wobei die chemische Zusammensetzung der NASICON-Materialien modifiziert wird. Dies wurde durch den Austausch geeigneter Kationen in der NASICON-Struktur erreicht. Weiterhin wurde ein Versuch unternommen, die Verarbeitungstemperatur der NASICON-Materialien zu reduzieren, indem eine Reihe von Zusammensetzungen definiert wurden - die sogenannten Glas-NASICON-Komposite - welche auf einen Bereich mit geringen Schmelzpunkten im quaternären Phasendiagramm Na2O-SiO2-ZrO2-P2O5 ausgerichtet sind. Das Ziel ist, die Leitfähigkeit von NASICON zu erhalten und den geringen Schmelzpunkt von Na-haltigen Gläsern auszunutzen, um ein Material mit ausreichend hoher Na+-Ionenleitfähigkeit und reduzierter Fertigungstemperatur (<1000 °C) zu erhalten. Dieses Material soll schließlich als Elektrolyt für die Herstellung einer Na+ Festkörperbatterie Verwendung finden.

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