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Diese Arbeit beleuchtet den Einfluss entscheidender Komponenten in Natrium-Ionen Batte-rien. Na-Metall wird häufig als Gegen- und/oder Referenzelektrode in der Literatur einge-setzt, um die Eigenschaften eines Aktivmaterials in Na-Ionen Batterien elektrochemisch zu untersuchen. Diese Thesis zeigt, dass Na spontan mit den häufig verwendeten, auf organi-schen Carbonaten basierten Elektrolyten reagiert. Solche Nebenreaktionen zwischen den Na-Gegen- und/oder Referenzelektroden führen zu veränderten Eigenschaften des Elektrolyten und wirken sich negativ auf die Oberflächenchemie der Arbeitselektrode aus. Eine Stabili-sierung des Na-Metalls kann durch Zugabe von Fluorethylencarbonat zu Carbonat-basierten Lösungsmitteln oder durch Ersetzen solcher Lösungsmittel durch Diglyme erfolgen. Der Einfluss dieser Lösungsmittel kann durch elektrochemische Messungen von Sb2O3-basierten Halbzellen bewertet werden. Die Zugabe von Fluorethylencarbonat führt zu einer geeigneten Dicke der Fest-Elektrolyt Interphase und verhindert, dass die Elektrode stark reißt. Diglyme dagegen löst Sb-Ionen während des Zyklierens, was zu Verunreinigungen, einem starken Kapazitätsverlust und einer unregelmäßigen elektrochemischen Signatur führt. Daher ist der Fluorethylencarbonat-haltige Elektrolyt für die Untersuchung von Materialien mit hoher Kapazität wie Sb am besten geeignet. Die Energiespeicherung von Sb durch Legierungsreak-tionen mit Na erfordert ein spezielles Elektrodendesign für eine hohe Leistungsstabilität. In dieser Arbeit wird systematisch der Einfluss der Kohlenstoffeigenschaften auf Sb/C-Verbundelektroden untersucht. Anstelle einer komplexen Hybridisierung von Sb und C wer-den die Komponenten mechanisch gemischt, um stabile Sb/C Elektroden zu erhalten. Dies ist nur unter Berücksichtigung der physikalischen, chemischen und strukturellen Merkmale der Kohlenstoffe möglich. Die beste Leistung wird nicht nur durch die hohe Oberfläche oder den Heteroatomgehalt ausgelöst, sondern insbesondere durch die beste Fähigkeit, sich ho-mogen zwischen den Sb Partikeln zu verteilen. Dies ist am besten für synthetisiertes Sb-Nanopulver mit Hilfe von Kohlenstoffzwiebeln möglich, die bei 1300 °C unter Vakuum her-gestellt werden. Durch Volumenänderungen verursachte Elektrodenrisse werden so verhin-dert und die Homogenität der Fest-Elektrolyt Interphase wird verbessert, was zu einer be-merkenswerten Ratenfähigkeit und einer hohen Zyklenstabilität führt. Um den Einfluss der Sb-Partikelgröße zu untersuchen, wird das synthetisierte Pulver durch kommerzielles Sb ersetzt, das vor der Elektrodenherstellung kugelgemahlen wird. Zusätzlich wird ein Sb/C Komposit aus kommerziellen Materialien durch Kugelmahlen hergestellt. Ein Vergleich aller Sb/C Elektroden zeigt, dass die Partikelgröße von Sb ein wesentlicher Faktor ist: Je kleiner die Partikel, desto höher die Zyklenstabilität und desto weniger Kohlenstoff wird zum Dämpfen von Volumenänderungen benötigt. Eine gründliche Anpassung der Sb- und C-Mengen und ihrer Merkmale ist erforderlich, um das bestmögliche elektrochemische Ver-halten zu erzielen.

Not fade away: A FeS/Fe3C/C nanocomposite synthesized by a facile hydrothermal method is compared with pure FeS. When applied as anode materials for lithium‐ion batteries, these two types of materials show different capacity evolution upon cycling. Surprisingly, the composite delivers a continuous increase in capacity instead of the expected capacity fading. This unique behavior is triggered by a catalyzing effect of Fe3C nanoparticles. FeS‐based composites are sustainable conversion electrode materials for lithium‐ion batteries, combining features like low cost, environmental friendliness, and high capacities. However, they suffer from fast capacity decay and low electron conductivity. Herein, novel insights into a surprising phenomenon of this material are provided. A FeS/Fe3C/C nanocomposite synthesized by a facile hydrothermal method is compared with pure FeS. When applied as anode materials for lithium‐ion batteries, these two types of materials show different capacity evolution upon cycling. Surprisingly, the composite delivers a continuous increase in capacity instead of the expected capacity fading. This unique behavior is triggered by a catalyzing effect of Fe3C nanoparticles. The Fe3C phase is a beneficial byproduct of the synthesis and was not intentionally obtained. To further understand the effect of interconnected carbon balls on FeS‐based electrodes, complementary analytic techniques are used. Ex situ X‐ray radiation diffraction and ex situ scanning electron microscopy are employed to track phase fraction and morphology structure. In addition, the electrochemical kinetics and resistance are evaluated by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. These results reveal that the interconnected carbon balls have a profound influence on the properties of FeS‐based electrodes resulting in an increased electrode conductivity, reduced particle size, and maintenance of the structure integrity., publishedVersion

Conversion materials are promising to improve the energy density of sodium‐ion‐batteries (NIB). Nevertheless, they suffer from the drawback of phase transitions and pronounced volume changes during cycling, which causes cell instability. When using these types of electrodes, all cell‐components have to be adjusted. In this study, a tremendous influence of the electrolyte solution on Sb$_{2}$O$_{3}$ conversion electrodes for NIBs is discussed. Solutions based on three solvents and solvent combinations established for NIBs, ethylene carbonate/dimethyl carbonate (EC/DMC), EC/DMC+5 % fluoroethylene carbonate (FEC), and diglyme, lead to a massively divergent electrochemical behavior of the same Sb$_{2}$O$_{3}$ electrode. Sb$_{2}$O$_{3}$ demonstrates the highest stability in solutions containing FEC, because this component forms a flexible, protecting surface film that prevent disintegration. One key finding of this work is that electrolyte solutions based on ether solvents like diglyme can remove Sb‐ions from Sb$_{2}$O$_{3}$ during cycling. Diglyme has the ability to coordinate and extract Sb$^{3+}$ during the oxidation of Sb$_{2}$O$_{3}$. This leads to contaminations of all cell components and a strong capacity loss together with an irregular electrochemical signature. Due to its poor reactivity at low potentials, diglyme forms a thin or even no surface layer. Thereby, there are no protecting films on the Sb$_{2}$O$_{3}$ electrodes that can avoid Sb$^{3+}$ ion dissolution. A critical examination of the electrolyte solutions components’ impact is essential to match them with conversion reaction anodes.