Das, Pratik Ranjan (2016) Conducting Polymers as Functional Binders for Lithium Ion Battery Positive Electrodes. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Lithium ion batteries have been successfully used in portable electronics applications. Their application areas are growing continuously. For their commercial application in electromobility and stationary storage, high energy density, high rate capability and long cycle life is required. This work demonstrates the improvement in energy density and rate capability of LiFePO4 composite positive electrodes by replacing conventional binders with conducting polymers such as polyaniline (PANI), poly-o-methoxy aniline (POMA), poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS). Conducting polymers act in a dual role as binder and conducting additive in the positive composite electrode. The capacity and charging rate capability of the electrodes are improved by using PANI and POMA. However, due to their inherent lower conductivity in the emeraldine state, complete replacement of carbon additive is not possible. On the other hand in this work it is shown that PEDOT:PSS is stable and highly conducting in the working potential window of LiFePO4 electrodes (2.8-4 V). Hence composite electrodes free of any carbon additive are prepared with PEDOT:PSS and LiFePO4. In order to understand the flow behaviour of composite slurries with different solid content; rheological measurements is performed with rheometer. All slurries show solid-like behavior due to formation of a network structure of LiFePO4 bridged by PEDOT:PSS chains. However, the solid loading of the slurries influences the distribution of the agglomerates and the binder affecting also the thickness, the adhesion and the electrical conductivity of the coatings casted from the different slurries under the same conditions. The optimum electrochemical performance is achieved with slurries containing 40 % solid loading. The electrochemical performance and the cycling stability of the composite electrodes are compared to the behaviour of conventional positive electrodes with carbon additives and PVDF binder. With increasing PEDOT:PSS content a decrease in the overvoltage and correspondingly an improvement in the rate capability is observed. Composite electrodes containing 8% PEDOT:PSS show comparable electrode capacity and better cycling stability as compared to conventional PVDF based system.

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Leitfähige Polymere als funktionale Bindermittel für positive Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien

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Lithium-Ionen-Batterien sind heutzutage nicht nur in Mobilgeräten erfolgreich eingesetzt, sondern erfahren einen stetigen Zuwachs in verschiedensten Anwendungsbereichen. Für den kommerziellen Einsatz in der Elektromobilität und als stationärer Speicher sind jedoch eine hohe Energiedichte, hohe Lade-/Entladeraten, sowie eine gute Zyklenstabilität notwendig. In dieser Arbeit wird die Verbesserung der Energiedichten und der Lade /Entladeraten von Lithium-Ionen-Batterien durch den Austausch von konventionellen Bindern im Kompositen des positiven Elektrodenmaterials LiFePO4 mit leitfähigen Polymeren wie Polyanilin (PANI), Poly-o-methoxyanilin (POMA), Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) gezeigt. Dabei agieren die leitfähigen Polymere sowohl als Binder als auch als leitfähiges Additiv in der Kompositelektroden. Der Einsatz von PANI bzw. POMA erhöht zwar die Kapazitäten und Leistungsfähigkeit der Elektroden, sorgt jedoch, aufgrund der niedrigeren elektrischen Leitfähigkeit im oxidierten Zustand der Polymere, dafür, dass das Kohlenstoffadditiv nicht komplett ersetzbar ist. PEDOT:PSS hingegen erweist sich als stabil und sehr leitfähig im Spannungsbetriebsfenster von LiFePO4 (2.8-4 V). Daher wird aus dem PEDOT:PSS/LiFePO4 Kompositelektroden frei von Kohlenstoffadditiven hergestellt und gründlich charakterisiert. Um das Fließverhalten von Pasten mit unterschiedlichem Feststoffanteil des Komposites zu untersuchen, werden systematische rheologische Messungen durchgeführt. Alle Pasten zeigen, aufgrund der Bildung einer über PEDOT:PSS Ketten verbrückten Netzwerkstruktur, feststoffartiges Verhalten. Der Feststoffanteil der Pasten bestimmt die Verteilung der Agglomerate und der Bindermatrix. Dies wiederum beeinflusst die Dicke, die Adhäsion und die elektrische Leitfähigkeit der Kompositelektroden. Mit steigendem PEDOT:PSS Anteil wird ein geringeres Überpotential und dementsprechend verbesserte Lade/Entladeraten beobachtet. Im direkten Vergleich zeigt die Kompositelektrode mit 8 % PEDOT:PSS-Anteil eine vergleichbare Kapazität und eine bessere Zyklenstabilität als das konventionelle PVDF basierte System.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	Leitfähige Polymere, Bindemittel, Elektrode, Lithium-Ionen-Akkumulator, Polyethylendioxythiopen <Poly-3,4-Ethylendioxythiopen>
Subjects:	Science and mathematics > Chemistry
Date Deposited:	03 Aug 2016 09:39
Last Modified:	03 Aug 2016 09:39
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/2830
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-29114
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