Mg - substituted lithium vanadium phosphate (LVP) as an electrode material for lithium-ion batteries (LIB)

Abstract

Der weltweite Energiebedarf steigt laufend. Immer lauter wird der Ruf nach Bereitstellung dieser Energie aus nachhaltigen, erneuerbaren Quellen, wie Luft, Wasser und Sonne. Diese Quellen haben den Nachteil, dass die Produktion Umwelteinflüssen wie Tagesund Jahreszeit, Niederschlag usw. unterliegt. Dadurch steigt die Bedeutung von Speicherstätten für Energie. Die leichtest speicherbare und wandelbarste Form der Energie ist elektrische Energie. Eine mögliche Speicherstätte dafür sind Lithiumionenbatterien, deren Kapazität unter anderem von den verwendeten Elektrodenmaterialien abhängt. Daher wird sehr viel Forschung im Bereich der Elektrodenmaterialien betrieben. Lithiumvanadiumphosphat (Li3V2(PO4)3) ist ein Elektrodenmaterial, welches sowohl als Kathode als auch Anode eingesetzt werden kann. Bei der Anwendung als Kathodenmaterial zeigt es den unerwünschten Effekt, des schnellen Kapazitätsverlusts durch wiederholte, strukturelle Veränderung bei fortschreitender Zahl der Lade-Entladezyklen. Der in dieser Arbeit untersuchte Ansatz der Strukturstabilisierung beruht auf dem Prinzip der teilweisen Substitution von Vanadium (V3+) durch Magnesium (Mg2+), welches einen fast identen Ionenradius aufweist und daher auf atomarer Ebene bei der Stabilisierung der Gitterparameter dienen soll. Es wurde Lithiumvanadiumphosphat ohne, sowie mit unterschiedlichen Substitutionskonzentrationen an Magnesium im Bereich von (0,016 bis 0,053) synthetisiert und charakterisiert. Dabei wurden sowohl physikochemische Eigenschaften, welche mittels TG-DSC, ICP-OES, Cilas, XRD und BET ermittelt wurden und elektrochemische Eigenschaften welche mit CV, GC, RC und PEIS ermittelt wurden verglichen. Der Fokus der Untersuchungen lag auf der Beeinflussung der Eigenschaften durch Magnesium sowie auf der Suche nach der vorteilhaftesten Substitutionskonzentration. Ebenfalls wurde der Einfluss von Kohlenstoff, welcher zur Leitfähigkeitsverbesserung beigefügt wird, untersucht. Die Proben konnten mittels Sol-Gel Verfahren in der gewünschten Uusammensetzung synthetisiert werden. Es zeigte sich, dass Magnesium elektrochemisch inaktiv in dem untersuchten Potentialbereich ist und daher als Substitutionselement zulässig ist. Strukturstabilisierung mittels Magnesiums wurde erreicht. Diese zeigte sich in höherer Coulombsche Effizienz, sowie höheren spezifische Kapazitäten im kathodischen Bereich. Weiters wurde herausgefunden, dass der Kohlenstoffgehalt sowie die daraus resultierende Leitfähigkeit eine große Auswirkung auf die elektrochemischen Eigenschaften haben.

The energy demand is growing, and the world starts to focus on renewable and sustainable power sources, which strongly depend on nature. As technologies as electricity from water, sun and wind depend on our nature, storage facilities become an important aspect in research. Lithium-ionbatteries (LIB) are among the used materials for electric energy storage and consumer electronics. Improvements of LIB can be made by enhancing the electrode materials properties such as specific capacity, discharging current and discharge voltage. One material combining high values in those aspects is lithium vanadium phosphate (LVP) which was investigated in this thesis. However, the downside is, that LVP suffers from rapid capacity decrease while continuous cycling. A promising way to enhance the electrochemical properties is by metal doping. In this thesis Mg2+ was used to substitute V3+ ions within the phosphate base structure. LVP with a magnesium concentration of 0, 0.016, 0.037 and 0.053 was synthesized successfully. Additionally, in-situ carbon coating with sucrose was done to increase the electronic conductivity. Experiments with TG-DSC, ICP-OES, Cilas, XRD and BET were conducted to determine the physicochemical properties. The electrochemical properties were investigated by measurements with CV, GC, RC and PEIS. The results show that magnesium enhances the electrochemical properties such as coulombic efficiency and specific discharge capacity for cathode application. Further the influence of carbon for the electronic conductivity is of great importance.