TY - GEN A1 - Ilic, Ivan K. A1 - Tsouka, Alexandra A1 - Perovic, Milena A1 - Hwang, Jinyeon A1 - Heil, Tobias A1 - Löffler, Felix A1 - Oschatz, Martin A1 - Antonietti, Markus A1 - Liedel, Clemens T1 - Sustainable cathodes for Lithium-ion energy storage devices based on tannic acid-toward ecofriendly energy storage T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The use of organic materials with reversible redox activity holds enormous potential for next-generation Li-ion energy storage devices. Yet, most candidates are not truly sustainable, i.e., not derived from renewable feedstock or made in benign reactions. Here an attempt is reported to resolve this issue by synthesizing an organic cathode material from tannic acid and microporous carbon derived from biomass. All constituents, including the redox-active material and conductive carbon additive, are made from renewable resources. Using a simple, sustainable fabrication method, a hybrid material is formed. The low cost and ecofriendly material shows outstanding performance with a capacity of 108 mAh g(-1) at 0.1 A g(-1) and low capacity fading, retaining approximately 80% of the maximum capacity after 90 cycles. With approximately 3.4 V versus Li+/Li, the cells also feature one of the highest reversible redox potentials reported for biomolecular cathodes. Finally, the quinone-catecholate redox mechanism responsible for the high capacity of tannic acid is confirmed by electrochemical characterization of a model compound similar to tannic acid but without catecholic groups. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1366 KW - biomass KW - electrochemistry KW - energy storage KW - redox chemistry KW - sustainability KW - tannic acid Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570560 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Ilic, Ivan K. A1 - Tsouka, Alexandra A1 - Perovic, Milena A1 - Hwang, Jinyeon A1 - Heil, Tobias A1 - Löffler, Felix A1 - Oschatz, Martin A1 - Antonietti, Markus A1 - Liedel, Clemens T1 - Sustainable cathodes for Lithium-ion energy storage devices based on tannic acid-toward ecofriendly energy storage JF - Advanced sustainable systems N2 - The use of organic materials with reversible redox activity holds enormous potential for next-generation Li-ion energy storage devices. Yet, most candidates are not truly sustainable, i.e., not derived from renewable feedstock or made in benign reactions. Here an attempt is reported to resolve this issue by synthesizing an organic cathode material from tannic acid and microporous carbon derived from biomass. All constituents, including the redox-active material and conductive carbon additive, are made from renewable resources. Using a simple, sustainable fabrication method, a hybrid material is formed. The low cost and ecofriendly material shows outstanding performance with a capacity of 108 mAh g(-1) at 0.1 A g(-1) and low capacity fading, retaining approximately 80% of the maximum capacity after 90 cycles. With approximately 3.4 V versus Li+/Li, the cells also feature one of the highest reversible redox potentials reported for biomolecular cathodes. Finally, the quinone-catecholate redox mechanism responsible for the high capacity of tannic acid is confirmed by electrochemical characterization of a model compound similar to tannic acid but without catecholic groups. KW - biomass KW - electrochemistry KW - energy storage KW - redox chemistry KW - sustainability KW - tannic acid Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1002/adsu.202000206 SN - 2366-7486 VL - 5 IS - 1 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Schutjajew, Konstantin T1 - Electrochemical sodium storage in non-graphitizing carbons - insights into mechanisms and synthetic approaches towards high-energy density materials T1 - Elektrochemische Natriumspeicherung in nicht-graphitisierbaren Kohlenstoffen - Untersuchungen zu Mechanismen und synthetische Ansätze für die Darstellung von Materialien mit hohen Energiedichten N2 - To achieve a sustainable energy economy, it is necessary to turn back on the combustion of fossil fuels as a means of energy production and switch to renewable sources. However, their temporal availability does not match societal consumption needs, meaning that renewably generated energy must be stored in its main generation times and allocated during peak consumption periods. Electrochemical energy storage (EES) in general is well suited due to its infrastructural independence and scalability. The lithium ion battery (LIB) takes a special place, among EES systems due to its energy density and efficiency, but the scarcity and uneven geological occurrence of minerals and ores vital for many cell components, and hence the high and fluctuating costs will decelerate its further distribution. The sodium ion battery (SIB) is a promising successor to LIB technology, as the fundamental setup and cell chemistry is similar in the two systems. Yet, the most widespread negative electrode material in LIBs, graphite, cannot be used in SIBs, as it cannot store sufficient amounts of sodium at reasonable potentials. Hence, another carbon allotrope, non-graphitizing or hard carbon (HC) is used in SIBs. This material consists of turbostratically disordered, curved graphene layers, forming regions of graphitic stacking and zones of deviating layers, so-called internal or closed pores. The structural features of HC have a substantial impact of the charge-potential curve exhibited by the carbon when it is used as the negative electrode in an SIB. At defects and edges an adsorption-like mechanism of sodium storage is prevalent, causing a sloping voltage curve, ill-suited for the practical application in SIBs, whereas a constant voltage plateau of relatively high capacities is found immediately after the sloping region, which recent research attributed to the deposition of quasimetallic sodium into the closed pores of HC. Literature on the general mechanism of sodium storage in HCs and especially the role of the closed pore is abundant, but the influence of the pore geometry and chemical nature of the HC on the low-potential sodium deposition is yet in an early stage. Therefore, the scope of this thesis is to investigate these relationships using suitable synthetic and characterization methods. Materials of precisely known morphology, porosity, and chemical structure are prepared in clear distinction to commonly obtained ones and their impact on the sodium storage characteristics is observed. Electrochemical impedance spectroscopy in combination with distribution of relaxation times analysis is further established as a technique to study the sodium storage process, in addition to classical direct current techniques, and an equivalent circuit model is proposed to qualitatively describe the HC sodiation mechanism, based on the recorded data. The obtained knowledge is used to develop a method for the preparation of closed porous and non-porous materials from open porous ones, proving not only the necessity of closed pores for efficient sodium storage, but also providing a method for effective pore closure and hence the increase of the sodium storage capacity and efficiency of carbon materials. The insights obtained and methods developed within this work hence not only contribute to the better understanding of the sodium storage mechanism in carbon materials of SIBs, but can also serve as guidance for the design of efficient electrode materials. N2 - Eine nachhaltige Energiewirtschaft kann nur durch die Abkehr von fossilen Brennstoffen als Energiequellen und den ausschließlichen Einsatz erneuerbarer Quellen für die Energieerzeugung erreicht werden. Da diese jedoch naturgemäß nur diskontinuierlich zur Verfügung stehen und sich die tageszeitliche Verfügbarkeit kaum mit dem Bedarf deckt, muss erneuerbar gewonnene Energie zwischengespeichert werden. Dies kann mittels elektrochemischer Energiespeicher geschehen, wobei sich die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Effizienz besonders dafür eignet. Da jedoch Ressourcen, welche für entscheidende Zellkomponenten der LIB benötigt werden, knapper werden und oft in geopolitisch komplizierten Regionen vorkommen, muss auch dafür eine Alternative gefunden werden. Die Natrium-Ionen-Batterie (NIB) bietet sich als Nachfolger für LIBs an, da sich die Zellchemie der beiden Systeme ähnelt und somit Kenntnisse direkt aus der LIB-Forschung übernommen werden können. Es erweist sich allerdings als problematisch, dass das kommerziell wichtigste negative Elektrodenmaterial in LIBs, Graphit, nicht für die Anwendung in NIBs eignet und daher eine andere Kohlenstoffmodifikation, sogenannter nicht-graphitisierbarer Kohlenstoff, oder aus dem Englischen hard carbon (HC), verwendet werden muss. HC ist durch eine besondere Art der Fehlordnung geprägt und besteht im Wesentlichen aus Regionen, in denen die Kohlenstoffschichten parallel zueinander verlaufen und aus Regionen, in denen die Schichten innere Hohlräume, sogenannte geschlossene Poren bilden. Die Lade-Entladekurve von HCs ist geprägt von diesen Strukturmerkmalen, sodass sie in einen linear-abflachenden, aus dem Englischen sloping Bereich, und einen Plateaubereich unterteilt werden kann. Die Speicherung im für Energieanwendungen relevanteren Plateaubereich erfolgt durch Abscheidung quasimetallischer Natriumstrukturen in eingangs erwähnten geschlossenen Poren, bei geringen, konstanten Spannungen, wie zahlreiche Forschungsarbeiten unter Berufung auf verschiedene Strukturcharakterisierungsmethoden � uberzeugend nahelegen. Jedoch ist über den Einfluss der Größe und Form der geschlossenen Poren sowie derer chemischer Eigenschaften auf die Natriumspeicherung nur wenig bekannt. Eben diese Fragestellung soll in der vorliegenden Arbeit behandelt werden. Durch die Herstellung von Materialien mit genau definierter und bekannter Morphologie, Porenstruktur sowie chemischer Beschaffenheit wird die Bedeutung dieser Merkmale für die Natriumabscheidung bei geringen Potentialen beleuchtet. Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie wird desweiteren der Natriumspeichermechanismus detailliert untersucht und die Kinetik der reversiblen Natriumspeicherung mit der der irreversiblen Metallabscheidung verglichen, wobei eine bemerkenswerte Ähnlichkeit der beiden Prozesse zu beobachten ist. Abschließend ist die gezielte Herstellung geschlossenporiger Materialien aus offenporigen Vorläufermaterialien gelungen, welche es nicht nur ermöglicht, geschlossen- und offenporige Materialien ansonsten gleicher Porenstruktur zu vergleichen und die Notwendigkeit geschlossener Poren nachzuweisen, sondern auch die Speicherkapazität und Effizienz der Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Insgesamt tragen die im Rahmen der vorliegenden Dissertation gewonnenen Erkenntisse nicht nur zum tiefergehenden Verständnis des Natriumspeichermechanismus in HCs bei, sondern es werden auch synthetische und analytische Methoden vorgestellt, die der weiteren Forschung auf diesem Gebiet dienen werden. KW - sodium-ion batteries KW - energy storage KW - carbon KW - Natrium-Ionen-Akkumulator KW - Energiespeicher KW - Kohlenstoff Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541894 ER - TY - THES A1 - Youk, Sol T1 - Molecular design of heteroatom-doped nanoporous carbons with controlled porosity and surface polarity for gas physisorption and energy storage N2 - The world energy consumption has constantly increased every year due to economic development and population growth. This inevitably caused vast amount of CO2 emission, and the CO2 concentration in the atmosphere keeps increasing with economic growth. To reduce CO2 emission, various methods have been developed but there are still many bottlenecks to be solved. Solvents easily absorbing CO2 such as monoethanol-amine (MEA) and diethanolamine, for example, have limitations of solvent loss, amine degradation, vulnerability to heat and toxicity, and the high cost of regeneration which is especially caused due to chemisorption process. Though some of these drawbacks can be compensated through physisorption with zeolites and metal-organic frameworks (MOFs) by displaying significant adsorption selectivity and capacity even in ambient conditions, limitations for these materials still exist. Zeolites demand relatively high regeneration energy and have limited adsorption kinetics due to the exceptionally narrow pore structure. MOFs have low stability against heat and moisture and high manufacturing cost. Nanoporous carbons have recently received attention as an attractive functional porous material due to their unique properties. These materials are crucial in many applications of modern science and industry such as water and air purification, catalysis, gas separation, and energy storage/conversion due to their high chemical and thermal stability, and in particular electronic conductivity in combination with high specific surface areas. Nanoporous carbons can be used to adsorb environmental pollutants or small gas molecules such as CO2 and to power electrochemical energy storage devices such as batteries and fuel cells. In all fields, their pore structure or electrical properties can be modified depending on their purposes. This thesis provides an in-depth look at novel nanoporous carbons from the synthetic and the application point of view. The interplay between pore structure, atomic construction, and the adsorption properties of nanoporous carbon materials are investigated. Novel nanoporous carbon materials are synthesized by using simple precursor molecules containing heteroatoms through a facile templating method. The affinity, and in turn the adsorption capacity, of carbon materials toward polar gas molecules (CO2 and H2O) is enhanced by the modification of their chemical construction. It is also shown that these properties are important in electrochemical energy storage, here especially for supercapacitors with aqueous electrolytes which are basically based on the physisorption of ions on carbon surfaces. This shows that nanoporous carbons can be a “functional” material with specific physical or chemical interactions with guest species just like zeolites and MOFs. The synthesis of sp2-conjugated materials with high heteroatom content from a mixture of citrazinic acid and melamine in which heteroatoms are already bonded in specific motives is illustrated. By controlling the removal procedure of the salt-template and the condensation temperature, the role of salts in the formation of porosity and as coordination sites for the stabilization of heteroatoms is proven. A high amount of nitrogen of up to 20 wt. %, oxygen contents of up to 19 wt.%, and a high CO2/N2 selectivity with maximum CO2 uptake at 273 K of 5.31 mmol g–1 are achieved. Besides, the further controlled thermal condensation of precursor molecules and advanced functional properties on applications of the synthesized porous carbons are described. The materials have different porosity and atomic construction exhibiting a high nitrogen content up to 25 wt. % as well as a high porosity with a specific surface area of more than 1800 m2 g−1, and a high performance in selective CO2 gas adsorption of 62.7. These pore structure as well as properties of surface affect to water adsorption with a remarkably high Qst of over 100 kJ mol−1 even higher than that of zeolites or CaCl2 well known as adsorbents. In addition to that, the pore structure of HAT-CN-derived carbon materials during condensation in vacuum is fundamentally understood which is essential to maximize the utilization of porous system in materials showing significant difference in their pore volume of 0.5 cm3 g−1 and 0.25 cm3 g−1 without and with vacuum, respectively. The molecular designs of heteroatom containing porous carbon derived from abundant and simple molecules are introduced in the presented thesis. Abundant precursors that already containing high amount of nitrogen or oxygen are beneficial to achieve enhanced interaction with adsorptives. The physical and chemical properties of these heteroatom-doped porous carbons are affected by mainly two parameters, that is, the porosity from the pore structure and the polarity from the atomic composition on the surface. In other words, controlling the porosity as well as the polarity of the carbon materials is studied to understand interactions with different guest species which is a fundamental knowledge for the utilization on various applications. N2 - Nanoporöse Kohlenstoffe haben in letzter Zeit aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften als ein attraktives funktionelles poröses Material Aufmerksamkeit erregt. Diese Materialien sind aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität und insbesondere aufgrund ihrer elektronischen Leitfähigkeit in Kombination mit hohen spezifischen Oberflächen von entscheidender Bedeutung für viele Anwendungen der modernen Wissenschaft und Industrie wie Wasser- und Luftreinigung, Katalyse, Gastrennung und Energiespeicherung/-umwandlung. Nanoporöse Kohlenstoffe können verwendet werden, um Umweltschadstoffe oder kleine Gasmoleküle wie CO2 zu adsorbieren und elektrochemische Energiespeicher wie Batterien und Brennstoffzellen anzutreiben. Ihre Porenstruktur oder ihre elektrischen Eigenschaften je nach Einsatzzweck modifiziert werden. Diese Arbeit bietet einen eingehenden Blick auf neuartige nanoporöse Kohlenstoffe aus synthetischer und anwendungstechnischer Sicht. Das Zusammenspiel zwischen Porenstruktur, atomarem Aufbau und den Adsorptionseigenschaften von nanoporösen Kohlenstoffmaterialien wird untersucht. Neuartige nanoporöse Kohlenstoffmaterialien werden unter Verwendung einfacher Vorläufermoleküle, die Heteroatome enthalten, durch ein einfaches Templatverfahren synthetisiert. Die Affinität und damit die Adsorptionskapazität von Kohlenstoffmaterialien gegenüber polaren Gasmolekülen (CO2 und H2O) wird durch die Modifikation ihres chemischen Aufbaus erhöht. Es wird auch gezeigt, dass diese Eigenschaften bei der elektrochemischen Energiespeicherung wichtig sind. Hier insbesondere für Superkondensatoren mit wässrigen Elektrolyten, die grundsätzlich auf der Physisorption von Ionen an Kohlenstoffoberflächen beruhen. Dies zeigt, dass nanoporöse Kohlenstoffe, genauso wie Zeolithen und MOFs, ein „funktionelles“ Material mit spezifischen physikalischen oder chemischen Wechselwirkungen mit Gastspezien sein können. Mit den Vorteilen einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, einer gut entwickelten Porenstruktur und einer stark hydrophilen Oberflächenstruktur sind nanoporöse Kohlenstoffe vielversprechende Materialien, die weitreichende Auswirkungen auf verschiedene Bereiche des zukünftigen Energiebedarfs haben. KW - porous carbon KW - gas adsorption KW - energy storage KW - N-doped carbon KW - poröser Kohlenstoff KW - Gasadsorption KW - Energiespeicher KW - N-dotierter Kohlenstoff Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-539098 ER - TY - JOUR A1 - Jia, He A1 - Friebe, Christian A1 - Schubert, Ulrich S. A1 - Zhang, Xiaozhe A1 - Quan, Ting A1 - Lu, Yan A1 - Gohy, Jean-Francois T1 - Core-Shell Nanoparticles with a Redox Polymer Core and a Silica Porous Shell as High-Performance Cathode Material for Lithium-Ion Batteries JF - Energy technology : generation, conversion, storage, distribution N2 - A facile and novel method for the fabrication of core-shell nanoparticles (PTMA@SiO2) based on a poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy-4-yl methacrylate) (PTMA) core and a porous SiO2 shell is reported. The core-shell nanoparticles are further self-assembled with negatively charged multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), which results in the formation of a free-standing cathode electrode. The porous SiO2 shell not only effectively improves the stability of the linear PTMA redox polymer with low molar mass in organic electrolytes but also leads to the uniform dispersion of PTMA active units in the MWCNTs conductive network. The PTMA@SiO2@MWCNT composite electrode exhibits a specific capacity as high as 73.8 mAh g at 1 C and only 0.11% capacity loss per cycle at a rate of 2 C. KW - composite electrodes KW - core-shell nanoparticles KW - energy storage KW - lithium-ion batteries KW - redox polymers Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/ente.201901040 SN - 2194-4288 SN - 2194-4296 VL - 8 IS - 3 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Chaleawlert-Umpon, Saowaluk T1 - Sustainable electrode materials based on lignin T1 - Ligninbasierte nachhaltige Elektrodenmaterialien N2 - The utilization of lignin as renewable electrode material for electrochemical energy storage is a sustainable approach for future batteries and supercapacitors. The composite electrode was fabricated from Kraft lignin and conductive carbon and the charge storage contribution was determined in terms of electrical double layer (EDL) and redox reactions. The important factors at play for achieving high faradaic charge storage capacity contribute to high surface area, accessibility of redox sites in lignin and their interaction with conductive additives. A thinner layer of lignin covering the high surface area of carbon facilitates the electron transfer process with a shorter pathway from the active sites of nonconductive lignin to the current collector leading to the improvement of faradaic charge storage capacity. Composite electrodes from lignin and carbon would be even more sustainable if the fluorinated binder can be omitted. A new route to fabricate a binder-free composite electrode from Kraft lignin and high surface area carbon has been proposed by crosslinking lignin with glyoxal. A high molecular weight of lignin is obtained to enhance both electroactivity and binder capability in composite electrodes. The order of the processing step of crosslinking lignin on the composite electrode plays a crucial role in achieving a stable electrode and high charge storage capacity. The crosslinked lignin based electrodes are promising since they allow for more stable, sustainable, halogen-free and environmentally benign devices for energy storage applications. Furthermore, improvement of the amount of redox active groups (quinone groups) in lignin is useful to enhance the capacity in lithium battery applications. Direct oxidative demethylation by cerium ammonium nitrate has been carried out under mild conditions. This proves that an increase of quinone groups is able to enhance the performance of lithium battery. Thus, lignin is a promising material and could be a good candidate for application in sustainable energy storage devices. N2 - Die Verwendung von Lignin als erneuerbares Ausgangsmaterial für Elektroden ist ein nachhaltiger Ansatz für die Herstellung der nächsten Generation von Batterien und Superkondensatoren. In dieser Arbeit werden Verbundelektroden auf der Basis von Kraft-Lignin und leitfähigem Kohlenstoff hergestellt und getestet. Die Beiträge des Aufbaus einer elektrischen Doppelschicht (EDL) und der Redoxreaktionen zur Kapazität der Elektrode werden diskutiert. Die wichtigsten Faktoren um eine hohe faradaysche Kapazität der aktiven Gruppen in Lignin zu erreichen sind eine große Oberfläche, die Zugänglichkeit der redoxaktiven Gruppen, sowie die Wechselwirkung mit leitfähigen Additiven. Dabei verringert eine dünnere Ligninschicht auf der Oberfläche des leitfähigen Kohlenstoffs den Elektronentransportweg zwischen den redoxaktiven Gruppen und dem Stromabnehmer und wirkt sich somit positiv auf die faradaysche Kapazität aus. Traditionelle Verbundelektroden enthalten in der Regel fluorierte Bindemittel, was deren Nachhaltigkeit in Frage stellt. Die Verwendung von Glyoxal als Quervernetzer für Lignin stellt eine Alternative zur Herstellung von bindemittelfreien ligninbasierten Verbundelektroden dar. Durch die Quervernetzung wird Lignin mit hohem Molekulargewicht erhalten, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Stabilität der Elektroden auswirkt. Für das Erreichen einer hohen Kapazität spielt allerdings die Reihenfolge der Produktionsschritte eine entscheidende Rolle, was hier auch diskutiert wird. Eine Erhöhung der Anzahl an redoxativen Gruppen, insbesondere Chinon-Funktionalitäten, im Lignin führt darüber hinaus zur Erhöhung der Kapazität in primären Lithiumbatterien. Die direkte oxidative Demethylierung von Phenylethern mit Hilfe von Cerammoniumnitrat wurde in dieser Arbeit unter milden Reaktionsbedingungen durchgeführt und die verbesserte Kapazität in Lithiumbatterien aufgrund der erhöhten Anzahl an redoxaktiven Gruppen aufgezeigt. Abschließend kann Lignin, quervernetzt oder oxidiert, als vielversprechender Wegbereiter für nachhaltige Materialen in der Energiespeicherung angesehen werden. KW - lignin KW - energy storage KW - sustainable energy storage materials KW - Lignin KW - Energiespeicher KW - nachhaltige Energiespeichermaterialien Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411793 ER - TY - THES A1 - Schipper, Florian T1 - Biomass derived carbon for new energy storage technologies N2 - The thesis deals with the production and evaluation of porous carbon materials for energy storage technologies, namely super capacitors and lithium sulfur batteries. N2 - Die Doktorarbeit befasst sich mit der Produktion und Evaluierung poröser Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Energiespeichertechnologien, namentlich Superkondensatoren und Lithiumschwefelbatterien. T2 - Biomasse basierende Kohlenstoffe für neue Energiespeichertechnologien KW - Batterien KW - Superkondensatoren KW - Energiespeicher KW - Lithium-Schwefel-Batterien KW - Kohlenstoff KW - battery KW - supercapacitors KW - energy storage KW - lithium sulfur battery KW - carbon Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72045 ER -