Preparation and electrochemical properties of metal chalcogenide anode materials for potassium-ion batteries

Wu, Yuhan

doi:10.22032/dbt.50121

Wu, Yuhan:

Ilmenau: Universitätsbibliothek Ilmenau, 2021

2021DissertationOA Bronze

Technische Universität Ilmenau (1992-) » Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften (1992-) » Institut für Physik (1992-) » Fachgebiet Angewandte Nanophysik (2018-)

Titel in Englisch:

Preparation and electrochemical properties of metal chalcogenide anode materials for potassium-ion batteries

Autor*in:

Wu, Yuhan^TU

Akademische*r Betreuer*in:

Lei, Yong^TU;Strehle, Steffen^TU;Cao, Dawai

Gradverleihende Einrichtung:

Technische Universität Ilmenau

Erscheinungsort:

Ilmenau

Verlag:

Universitätsbibliothek Ilmenau

Erscheinungsjahr:

2021

Open-Access-Publikationsweg:

OA Bronze

Umfang:

XI, 120 Seiten

DBT-ID

DOI

PPN:

PPN:

URN

urn:nbn:de:gbv:ilm1-2021000276

Sprache des Textes:

Englisch

Schlagwort, Thema:

Fachgebiet Angewandte Nanophysik <Ilmenau> ; Metall-Ionen-Akkumulator ; Chalkogenide ; Anode ; Metall-Ionen-Akkumulator ; 540

Datenträgertyp:

Online-Ressource

Ressourcentyp:

Text

Teil der Statistik:

Ja

DESTATIS Fachsystematik:

3680 Festkörper-, Oberflächen- und Materialphysik

DESTATIS Fachsystematik:

3680 Festkörper-, Oberflächen- und Materialphysik

Abstract in Deutsch:

Unter den elektrochemischen Energiespeichersystemen der nächsten Generation werden Kalium-Ionen-Batterien (KIB) aufgrund des geeigneten Arbeitspotenzials, der hohen Sicherheit und der kostengünstigen Wettbewerbsfähigkeit für die bestmögliche Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien angesehen. Dennoch kann die aufstrebende Technologie noch nicht mit den Lithium-Ionen-Batterien mithalten, die umfangreiche Forschung und Kommerzialisierung besitzen. Eines der Haupthindernisse ist die unzureichende elektrochemische Leistung der KIB-Anode. Bisher wurden eine Vielzahl von Materialien als Kandidaten erforscht, darunter sind besonders Metall-Chalkogenide aufgrund ihrer einzigartigen Struktureigenschaften und hohen theoretischen Kapazitäten attraktiv. In dieser wurde das elektrochemische K+ Lagerungsverhalten von drei Metall-Chalkogenid als Anodenmaterialien untersucht. Zuerst wurde das kommerzielle Wolframdisulfidpulver zur Demonstration erprobt, um die Realisierbarkeit von WS2 als KIB-Anode zu erforschen. Als Ergebnis konnte ein ungewöhnlicher Reaktionsmechanismus zum ersten Mal beobachtet und verifiziert werden. Anschließend wurde eine Heterostruktur aus mehrlagigen KohlenstoffNanoröhren, die mit den hoch kristallisierten und ultradünnen MoSe2 Nanoblätter beschichtet sind, aufgebaut. Dabei wurde die synergetische Verstärkung des strukturierten Aufbaues, der Kohlenstoffmodifikation und der Kristallinitätsregelung für die K+ Speicherfähigkeit des zweidimensionalen Metall-Chalkogenid aufgedeckt. Schließlich wurde ein neuartiges kristallartiges Fe1-xS synthetisiert und als Anodenmaterial in KIBs angewendet. Dabei hat sich eine starke Wettbewerbsfähigkeit in Bezug auf Kosten und elektrochemischer Leistung herausgestellt. In dieser Arbeit wurden nicht nur drei vielversprechende KIB Anodenmaterialien hergestellt, sondern auch ein Einblick in die Entwicklung einer kostengünstigen elektrochemischen Energiespeichertechnologie gewährt.

Abstract in Englisch:

In next-generation electrochemical energy storage systems, potassium-ion batteries (PIBs) have been considered as a promising alternative to lithium-ion batteries by virtue of their suitable working potential, high safety, and cost competitiveness. Nonetheless, such an emerging technology is still unable to compare with lithium-ion batteries that possess extensive research and commercialization experience. One of the main constraints is the unsatisfactory electrochemical performance of PIB anodes. So far, a variety of materials have been explored to serve as candidates, among which metal chalcogenides are attractive due to their unique structural properties and high theoretical capacities. Herein, we explored the electrochemical K+ storage behaviors of three metal chalcogenides as anode materials. Firstly, commercial tungsten disulfide powders were used as a demonstrator to investigate the feasibility of WS2 as a PIB anode; as a result, an unusual reaction mechanism was observed for the first time and verified. Secondly, a heterostructure of high-crystallized ultrathin MoSe2 nanosheets-coated multiwall carbon nanotubes was constructed to reveal the synergistic enhancement of structured design, carbon modification, and crystallinity regulation for K+ storage capability of two-dimensional metal chalcogenides. Finally, a novel crystal-like Fe1−xS was synthesized and applied as an anode material in PIBs; it exhibited strong competitiveness in both cost and electrochemical performance. In fact, these studies not only prepared three promising PIB anode materials but also, more importantly, could provide us with valuable insights into low-cost electrochemical energy storage technologies.