Open Access

Öznil Budak

• The global warming fact has been calling for a change in our current energy infrastructure, which is based on fossil fuels. Lithium-ion batteries (LIBs) are one of our main tools that can serve our society for the desired transition from non-renewable energy sources to renewable ones, for instance, by opening the door of e-mobility with their high energy efficiency. However, the current state-of-art revealed that the electrode architecture has a crucial role in the obtained electrochemical performance of LIBs. In the traditional composite electrodes based on a physical admixture of components, particle-to-particle contact loss occurs between the electrochemically active metal oxide and conductive carbon additive, eventuate in poor electrochemical performance. On the other hand, hybrid electrode architecture provides nanoscopic chemical blending between the metal oxide and carbon, resulting in advanced electrochemical performance due to a continuous conductive network. However, the synthesis techniques for hybrid materials are limited to wet chemical synthesis. Therefore, the aim of this doctoral work is to explore novel synthesis approaches for the metal oxide/carbon hybrid materials and investigate their performances for LIBs with the comparison of their composite counterparts. For that purpose, this dissertation investigates the promising anode candidates for LIBs, namely, V2O3, Nb2O5, and Ti2Nb10O29, which were synthesized from their relatively cheap carbide sources via a new synthesis approach, chloroxidation or simple CO2 oxidation. The successfully-synthesized carbide-derived metal oxide/carbon hybrids displayed advanced rate handling abilities and cyclic stabilities compared to their counterparts.
• Die Tatsache der globalen Erwärmung hat eine Änderung unserer gegenwärtigen Energieinfrastruktur, die auf fossilen Brennstoffen basiert, erforderlich gemacht. Lithium- Ionen-Batterien (LIBs) sind eines unserer Hauptinstrumente, die unserer Gesellschaft für den gewünschten Übergang von nicht erneuerbaren Energiequellen zu erneuerbaren Energiequellen dienen können, indem sie zum Beispiel mit ihrer hohen Energiedichte und Effizienz die Tür zur E-Mobilität öffnen. Der derzeitige Stand der Technik hat jedoch gezeigt, dass die Elektrodenarchitektur eine entscheidende Rolle bei der erzielten elektrochemischen Leistung von LIBs spielt. Bei den traditionellen Verbundelektroden, die auf einer physikalischen Beimischung von Komponenten basieren, tritt ein Kontaktverlust von Partikel zu Partikel zwischen dem elektrochemisch aktiven Metalloxid und dem leitfähigen Kohlenstoffzusatz auf, was zu einer schlechten elektrochemischen Leistung führt. Andererseits bietet die hybride Elektrodenarchitektur eine nanoskopische chemische Mischung zwischen dem Metalloxid und dem Kohlenstoff, was zu einer verbesserten elektrochemischen Leistung aufgrund eines kontinuierlichen leitfähigen Netzwerks führt. Die Syntheseverfahren für Hybridmaterialien sind jedoch auf die nasschemische Synthese beschränkt. Ziel dieser Doktorarbeit ist es daher, neue Syntheseansätze für die Metalloxid/Kohlenstoff-Hybridmaterialien zu erforschen und ihre Leistungen für LIBs im Vergleich zu ihren Verbundwerkstoff-Pendants zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden vielversprechende Anodenmaterialien für LIBs, nämlich V2O3, Nb2O5 und Ti2Nb10O29, mit Hilfe eines neuen Syntheseansatzes aus relativ billigen Karbidquellenmittels Chloroxidation oder einfachen CO2-Oxidation synthetisiert. Die aus dem Karbid hergestellten Metalloxid/Kohlenstoff-Hybride wiesen im Vergleich zu ihren Pendants fortgeschrittene Ratenhandhabungsfähigkeiten und zyklische Stabilitäten auf.