TY - JOUR A1 - Chen, Lu A1 - Yan, Runyu A1 - Oschatz, Martin A1 - Jiang, Lei A1 - Antonietti, Markus A1 - Xiao, Kai T1 - Ultrathin 2D graphitic carbon nitride on metal films BT - underpotential sodium deposition in adlayers for sodium-ion batteries JF - Angewandte Chemie : a journal of the Gesellschaft Deutscher Chemiker ; International edition N2 - Efficient and low-cost anode materials for the sodium-ion battery are highly desired to enable more economic energy storage. Effects on an ultrathin carbon nitride film deposited on a copper metal electrode are presented. The combination of effects show an unusually high capacity to store sodium metal. The g-C3N4 film is as thin as 10 nm and can be fabricated by an efficient, facile, and general chemical-vapor deposition method. A high reversible capacity of formally up to 51 Ah g(-1) indicates that the Na is not only stored in the carbon nitride as such, but that carbon nitride activates also the metal for reversible Na-deposition, while forming at the same time an solid electrolyte interface layer avoiding direct contact of the metallic phase with the liquid electrolyte. KW - 2D films KW - carbon nitride KW - chemical vapor deposition KW - sodium-ion KW - batteries KW - underpotential deposition Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1002/anie.202000314 SN - 1433-7851 SN - 1521-3773 VL - 59 IS - 23 SP - 9067 EP - 9073 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Yan, Runyu A1 - Oschatz, Martin A1 - Wu, Feixiang T1 - Towards stable lithium-sulfur battery cathodes by combining physical and chemical confinement of polysulfides in core-shell structured nitrogen-doped carbons JF - Carbon N2 - Despite intensive research on porous carbon materials as hosts for sulfur in lithium-sulfur battery cathodes, it remains a problem to restrain the soluble lithium polysulfide intermediates for a long-term cycling stability without the use of metallic or metal-containing species. Here, we report the synthesis of nitrogen-doped carbon materials with hierarchical pore architecture and a core-shell-type particle design including an ordered mesoporous carbon core and a polar microporous carbon shell. The initial discharge capacity with a sulfur loading up to 72 wt% reaches over 900 mA h g(sulf)(ur)(-1) at a rate of C/2. Cycling performance measured at C/2 indicates similar to 90% capacity retention over 250 cycles. In comparison to other carbon hosts, this architecture not only provides sufficient space for a high sulfur loading induced by the high-pore-volume particle core, but also enables a dual effect of physical and chemical confinement of the polysulfides to stabilize the cycle life by adsorbing the soluble intermediates in the polar microporous shell. This work elucidates a design principle for carbonaceous hosts that is capable to provide simultaneous physical-chemical confinement. This is necessary to overcome the shuttle effect towards stable lithium-sulfur battery cathodes, in the absence of additional membranes or inactive metal-based anchoring materials. KW - lithium-sulfur battery KW - sulfur KW - porous carbon KW - cathode KW - polysulfides Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.01.046 SN - 0008-6223 SN - 1873-3891 VL - 161 SP - 162 EP - 168 PB - Elsevier Science CY - Amsterdam [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Yan, Runyu A1 - Josef, Elinor A1 - Huang, Haijian A1 - Leus, Karen A1 - Niederberger, Markus A1 - Hofmann, Jan P. A1 - Walczak, Ralf A1 - Antonietti, Markus A1 - Oschatz, Martin T1 - Understanding the charge storage mechanism to achieve high capacity and fast ion storage in sodium-ion capacitor anodes by using electrospun nitrogen-doped carbon fibers JF - Advanced functional materials N2 - Microporous nitrogen-rich carbon fibers (HAT-CNFs) are produced by electrospinning a mixture of hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HAT-CN) and polyvinylpyrrolidone and subsequent thermal condensation. Bonding motives, electronic structure, content of nitrogen heteroatoms, porosity, and degree of carbon stacking can be controlled by the condensation temperature due to the use of the HAT-CN with predefined nitrogen binding motives. The HAT-CNFs show remarkable reversible capacities (395 mAh g(-1) at 0.1 A g(-1)) and rate capabilities (106 mAh g(-1) at 10 A g(-1)) as an anode material for sodium storage, resulting from the abundant heteroatoms, enhanced electrical conductivity, and rapid charge carrier transport in the nanoporous structure of the 1D fibers. HAT-CNFs also serve as a series of model compounds for the investigation of the contribution of sodium storage by intercalation and reversible binding on nitrogen sites at different rates. There is an increasing contribution of intercalation to the charge storage with increasing condensation temperature which becomes less active at high rates. A hybrid sodium-ion capacitor full cell combining HAT-CNF as the anode and salt-templated porous carbon as the cathode provides remarkable performance in the voltage range of 0.5-4.0 V (95 Wh kg(-1) at 0.19 kW kg(-1) and 18 Wh kg(-1) at 13 kW kg(-1)). KW - carbon fibers KW - nitrogen-doped carbon KW - sodium-ion capacitors KW - sodium storage mechanism Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/adfm.201902858 SN - 1616-301X SN - 1616-3028 VL - 29 IS - 26 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Yan, Runyu T1 - Nitrogen-doped and porous carbons towards new energy storage mechanisms for supercapacitors with high energy density T1 - Neuartige Energiespeichermechanismen in porösen und stickstoffdotierten Kohlenstoffen für die Anwendung in Superkondensatoren mit hoher Energiedichte N2 - Supercapacitors are electrochemical energy storage devices with rapid charge/discharge rate and long cycle life. Their biggest challenge is the inferior energy density compared to other electrochemical energy storage devices such as batteries. Being the most widely spread type of supercapacitors, electrochemical double-layer capacitors (EDLCs) store energy by electrosorption of electrolyte ions on the surface of charged electrodes. As a more recent development, Na-ion capacitors (NICs) are expected to be a more promising tactic to tackle the inferior energy density due to their higher-capacity electrodes and larger operating voltage. The charges are simultaneously stored by ion adsorption on the capacitive-type cathode surface and via faradic process in the battery-type anode, respectively. Porous carbon electrodes are of great importance in these devices, but the paramount problems are the facile synthetic routes for high-performance carbons and the lack of fundamental understanding of the energy storage mechanisms. Therefore, the aim of the present dissertation is to develop novel synthetic methods for (nitrogen-doped) porous carbon materials with superior performance, and to reveal a deeper understanding energy storage mechanisms of EDLCs and NICs. The first part introduces a novel synthetic method towards hierarchical ordered meso-microporous carbon electrode materials for EDLCs. The large amount of micropores and highly ordered mesopores endow abundant sites for charge storage and efficient electrolyte transport, respectively, giving rise to superior EDLC performance in different electrolytes. More importantly, the controversial energy storage mechanism of EDLCs employing ionic liquid (IL) electrolytes is investigated by employing a series of porous model carbons as electrodes. The results not only allow to conclude on the relations between the porosity and ion transport dynamics, but also deliver deeper insights into the energy storage mechanism of IL-based EDLCs which is different from the one usually dominating in solvent-based electrolytes leading to compression double-layers. The other part focuses on anodes of NICs, where novel synthesis of nitrogen-rich porous carbon electrodes and their sodium storage mechanism are investigated. Free-standing fibrous nitrogen-doped carbon materials are synthesized by electrospinning using the nitrogen-rich monomer (hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile, C18N12) as the precursor followed by condensation at high temperature. These fibers provide superior capacity and desirable charge/discharge rate for sodium storage. This work also allows insights into the sodium storage mechanism in nitrogen-doped carbons. Based on this mechanism, further optimization is done by designing a composite material composed of nitrogen-rich carbon nanoparticles embedded in conductive carbon matrix for a better charge/discharge rate. The energy density of the assembled NICs significantly prevails that of common EDLCs while maintaining the high power density and long cycle life. N2 - Superkondensatoren sind elektrochemische Energiespeicher, die eine hohe Lade-/Entladerate und Zyklensta-bilität aufweisen, deren größte Einschränkung derzeit jedoch bei ihrer im Vergleich zu anderen Speicherlösungen, wie etwa Batterien, geringen Energiedichte liegt. Im am weitesten verbreiteten Superkondensatortyp, dem elektrochemischen Doppelschichtkondensator (engl. electrochemical double-layer capacitor, EDLC), wird die Energie durch Elektrosorption der Elektrolytionen an die geladene Elektrodenoberfläche gespeichert. Der Natrium-Ionen-Kondensator (engl. Na-ion capacitor, NIC) ist eine neuere Entwicklung und löst das Problem der geringen Energiedichte durch Verwendung von Elektroden mit einer höheren Kapazität und Betriebsspannung. Dies wird dadurch erreicht, dass simultan anodenseitig ein faradayscher Prozess und kathodenseitig der Aufbau einer elektrochemischen Doppelschicht genutzt werden. Somit kommen die Vorteile beider Phänomene zum Tragen. Poröse Kohlenstoffelektroden sind wichtig für beide Speichersysteme, wobei die Entwicklung einfacher Syn-theserouten für die Herstellung von Hochleistungskohlenstoffen und der Aufbau eines grundlegenden Ver-ständnisses der dem Energiespeicher zugrunde liegenden Mechanismen die vordergründigen Herausforde-rungen sind. Daher ist es das Ziel der vorliegenden Dissertation, neue Methoden zur Synthese (stickstoffdo-tierter) Kohlenstoffmaterialien mit überlegener Leistung zu erschließen und eine tiefere Einsicht in die me-chanistischen Aspekte der Funktionsweise der eingangs vorgestellten Superkondensatorsysteme zu erhalten. Im ersten Teil der Arbeit wird eine neuartige Synthese von Kohlenstoff-Elektrodenmaterialien für EDLCs vor-gestellt, welche ein hohes Volumen an Mikroporen und hochgeordneten Mesoporen aufweisen. Durch deren Einsatz kann in verschiedenen Elektrolytsystemen eine herausragende Energiedichte erzielt werden. Umso bedeutender sind die Ergebnisse der Untersuchung des kontrovers diskutierten Energiespeichermechanismus in EDLCs mit Elektrolyten auf Basis ionischer Flüssigkeiten (engl. ionic liquids, ILs) und Elektroden aus porösen Modellkohlenstoffen. Aus diesen können nicht nur Rückschlüsse auf den Zusammenhang zwischen Porosität und Ionentransportdynamik gezogen werden, sondern sie lassen auch wichtige Erkenntnisse auf die Mechanismen des Ladungsspeichers in IL-basierten EDLCs zu, welche sich grundlegend von dem in lösungsmittelbasierten Elektrolyten vorherrschenden Mechanismus, der Bildung einer Kompressionsdoppelschicht, unterscheiden. Im zweiten Teil des Werks liegt der Fokus auf der Synthese stickstoffreicher poröser Kohlenstoffelektroden als Anoden für NICs und der Untersuchung der Vorgänge während der Natriumeinlagerung in solchen Syste-men. Freistehende, faserartige und stickstoffdotierte Kohlenstoffmaterialien wurden durch Elektrospinnen des stickstoffreichen Monomers Hexaazatriphenylen-hexacarbonitril (C18N12) gefolgt von dessen Kondensati-on bei hoher Temperatur erhalten. Diese Fasern überzeugen durch überragende Kapazität und eine hohe Lade-/Entladerate beim Natriumspei-chervorgang. In diesem Rahmen wurde auch der Mechanismus der Natriumeinlagerung in stickstoffdotierten Kohlenstoffen beleuchtet und auf Basis dieser Erkenntnisse wurde eine weitere Optimierung vorgenommen. Indem ein Kompositmaterial aus stickstoffreichen Kohlenstoffnanopartikeln in einer leitfähigen Kohlenstoffmatrix erzeugt wurde, konnte die Lade-/Entladerate abermals verbessert werden. Somit übertrifft die Energiedichte der so konstruierten NICs die gewöhnlicher EDLCs, während deren hohe Leistungsdichte und Lebensdauer erhalten bleibt. KW - porous carbons KW - supercapacitors KW - high energy density KW - energy storage mechanism KW - poröse Kohlenstoffe KW - Superkondensatoren KW - hohe Energiedichte KW - Energiespeichermechanismus Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-431413 ER -