Electrospun fibres as efficient cathodes for metal-air batteries

Gehring, Markus; Mayer, Joachim; Sauer, Dirk Uwe; Eichel, Rüdiger-A.

doi:HT020672390

Electrospun fibres as efficient cathodes for metal-air batteries = Elektrogesponnene Fasern als effiziente Kathoden für Metall-Luft-Batterien

Gehring, Markus^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Gehring

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (xviii, 106, XLI Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Englische, deutsche, französische und niederländische Zusammenfassung. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor)^RWTH* ; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-09-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-11881
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808174/files/808174.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrospinning (frei) ; Kohlenstoffasern (frei) ; Luftkathode (frei) ; Metall-Luft Batterie (frei) ; air cathode (frei) ; carbon fibres (frei) ; electrospinning (frei) ; metal–air battery (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird der Einsatz von elektrogesponnenen Kohlenstofffasern aus Polyacrylnitril als Elektroden in wässrig-alkalischen Metall-Luft Batterien untersucht. Drei Hauptziele werden dabei verfolgt: Ein vertieftes Verständnis der Struktureigenschaften der Fasern sowie ihrer Veränderung während der Karbonisierung und die Etablierung einer Aktivitätsevaluierungsmethode unter anwendungsnahen Bedingungen. Schließlich werden die Struktureigenschaften mit der Aktivität korreliert. Nach einer Kurzübersicht über aktuelle Herausforderungen im Bereich der Energiespeicherung, wird die Geschichte und das Funktionsprinzip wässrig-alkalischer Metall-Luft Batteriesysteme zusammengefasst. Die Hauptreaktionen an der Luftelektrode, die Sauerstoffreduktion und --entwicklung werden mit Fokus auf die Katalyse dieser kinetisch anspruchsvollen Reaktionen mit derzeit diskutierten Stickstoff-dotierten und mit Übergangsmetallen co-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren betrachtet. Polyacrylnitril ist wegen seines Stickstoffgehalts sowie Karbonisierverhaltens ein gängiges Ausgangsmaterial. Dieses wurde durch die Zugabe von Cobalt und Nickel, vielversprechenden Sauerstoffelektrokatalysatoren, modifiziert. Zur Materialanalyse wurden u. a. Raman-Spektroskopie, XPS, XRD und der lineare Spannungsdurchlauf eingesetzt. Die Struktur und Zusammensetzung der Kohlenstofffasern aus Polyacrylnitril wurde in einem breiten Karbonisierungstemperaturfenster analysiert. Der Stickstoffgehalt wird im Bereich von 600 °C bis 1000 °C mehr als halbiert. Dabei wird der Stickstoff von pyridinischem zu graphitischem Stickstoff umgewandelt. Diese Veränderung beeinflusst auch die elektrochemische Aktivität des Materials, insbesondere die Grenzströme und Überpotentiale der Sauerstoffreduktion. Das globale Maximum der Aktivität zeigten Proben, welche bei 800 °C karbonisiert wurden. In Anwesenheit von Cobalt und Nickel entsteht turbostratischer Kohlenstoff und die Entstickung verschiebt sich zu niedrigeren Temperaturen. Die Stickstoffeinbindung ist ebenfalls verändert, wobei die Metalle einen höheren Gehalt pyridinischen Stickstoffs zur Folge haben. Diese Änderungen beeinflussen die Aktivität der Sauerstoffreduktionsgrenzströme und --überpotentiale. Nickel beeinflusst zwar die Morphologie stärker, aber Cobalt hat den stärkeren Einfluss auf die elektrochemische Aktivität. Keines der Metalle erhöht signifikant die Sauerstoffevolutionsaktivität. Das präsentierte Material erweist sich als brauchbare Luftelektrode und die eingeführten Parameter zur Leistungsbeschreibung erlauben eine hinreichende Korrelation der Strukturdaten und der elektrochemischen Aktivität. Allerdings besteht der Bedarf an einer weiteren Verbesserung der Leistungen auf ein wettbewerbsfähiges Niveau.

In this thesis, the application of electrospun polyacrylonitrile-derived carbon-fibre mats as electrodes for aqueous-alkaline metal--air batteries is investigated. Three main aims are pursued: First, a deeper understanding of the morphological properties of the fibres and their transformation during carbonisation. Secondly, establishing a method of activity evaluation that allows for an analysis in near-application scenarios. Lastly, relating structural information and activity.After outlining current challenges in the field of global energy storage, the history and working principles of the aqueous-alkaline metal--air battery systems is presented. The main reactions on the air-electrode, oxygen reduction and evolution are presented and discussed in detail. Current approaches to catalyse these kinetically challenging reactions are focussed on, considering mainly nitrogen-doped carbons and co-doped carbons using transition metal catalysts. Polyacrylonitrile is a feasible base material, because of its inherent nitrogen content and behaviour during carbonisation. It was further enhanced by adding cobalt and nickel, promising oxygen electro-catalysts. A variety of methods was employed to investigate the materials, including Raman spectroscopy, XPS, XRD, and linear sweep voltammetry. The structure and composition of polyacrylonitrile-derived carbon-fibres are discussed in wide range of carbonisation temperatures. The nitrogen content was found to be more than halved between 600 °C and 1000 °C. Also, the nitrogen bonding-types evolve from mainly pyridinic nitrogen to graphitic nitrogen. This was found to influence the electrochemical performance of the material, especially the limiting current and overpotentials of the oxygen reduction reaction. The overall activity maximum was found for samples carbonised at 800 °C.The structure of the carbon material is modified in presence of cobalt and nickel. In both cases, turbostratic carbon is formed and the nitrogen removal is shifted towards lower temperatures. The nitrogen bonding is also affected, with the metals inducing a higher content of pyridinic nitrogen. The changes affect activity in terms of oxygen reduction current densities and overpotentials. While nickel was found to influence the morphology more, cobalt made a stronger impact on electrochemical activity. Neither metal, significantly influenced the oxygen evolution activity. While the presented materials are shown to function as an air-electrode and the introduced key parameters of performance description allow for a sufficient correlation of structural properties and electrochemical activity, more research is required to enhance the performance of the electrodes to a competitive level.

OpenAccess:
PDF
(additional files)