Materiały anodowe na bazie antymonu, krzemu oraz ich kompozytów dla ogniw sodowo-jonowych

Abstract

Rozprawa dotyczy badań materiałów na bazie antymonu oraz materiałów na bazie krzemu jako materiałów anodowych dla ogniw sodowych. Przeprowadzono szereg badań mających na celu określenie i powiązanie właściwości strukturalnych, mikrostrukturalnych oraz elektrochemicznych analizowanych materiałów. Dzięki połączeniu wielu technik pomiarowych, zmierzonych w trybach ex-situ oraz operando, określono zarówno zmiany w strukturze, jak i mikrostrukturze materiałów jednofazowych i kompozytowych w trakcie sodowania i desodowania. W efekcie wykonanych prac badawczych opracowano metodę otrzymywania materiału kompozytowego zawierającego antymon, tlenochlorek antymonu oraz czerń acetylenową. Kompozyt ten charakteryzuje się stabilniejszą pracą w ogniwach z metalicznym sodem w porównaniu do materiałów jednofazowych. W przypadku materiałów na bazie krzemu przeanalizowano rolę modyfikacji struktury i mikrostruktury na właściwości elektrochemiczne oraz zaobserwowano pozytywny wpływ amorfizacji struktury na pracę w ogniwach. Otrzymano również materiał kompozytowy na bazie antymonu i krzemu charakteryzujący się mniejszymi zmianami grubości elektrod oraz ograniczonym rozrostem cząstek podczas pracy w ogniwie w porównaniu do jednofazowego materiału na bazie antymonu. Uzyskane wyniki pozwalają lepiej zrozumieć mechanizm pracy materiałów kompozytowych w ogniwach sodowych oraz pokazują, że kompozyty posiadają wiele zalet w porównaniu do materiałów jednofazowych.

The research presented in this thesis focuses on antimony- based materials and silicon-based materials as anode materials for Na-ion batteries. Several studies were carried out to determine the structural, microstructural, and electrochemical properties of the analyzed materials. By combining multiple measurement techniques, measured in ex-situ and operando modes, structural and microstructural changes during sodiation and desodiation were determined in single-phase and composite materials. As a result, a composite material containing antimony, antimony oxychloride, and acetylene black was developed. This composite material is characterized by more stable cycling performance, compared to single-phase materials, in cells with metallic sodium. For silicon- based materials, the impact of structure and microstructure modification on electrochemical properties was analyzed, and a positive influence of structure amorphization on capacity and coulombic efficiency was observed. A composite material based on antimony and silicon was also obtained. It is characterized by smaller electrode thickness changes and limited particle growth during sodiation and desodiation compared to the single-phase antimony-based material. The results provide a better understanding of the sodiation and desodiation mechanisms in composite materials in reference to single-phase materials and shows that composites may offer numerous advantages.