Unravelling Charge Storage and Degradation in Cathodes for Rechargeable Aluminium Batteries: A Synergistic Study of CoSe Cathodes and MXenes-Based Components

Diese Dissertation präsentiert eine umfassende Untersuchung des elektrochemischen Verhaltens und der Degradationsmechanismen von Kobaltselenid-(CoSe)-Kathoden in wiederaufladbaren Aluminiumbatterien. Es wurde ein multifunktionaler Ansatz angewendet, der elektrochemische Tests, ex situ-Analysen sowie fortgeschrittene in situ- und operando -Charakterisierungstechniken auf Synchrotronbasis kombiniert. Die Studie schließt kritische Wissenslücken in der Literatur und zeigt eine anfängliche Amorphisierung von CoSe sowie eine Phasenumwandlung von hexagonalem CoSe zu kubischem CoSe2, begleitet von der Auflösung von Co(AlCl4)2, das migriert und sich auf der Aluminium-Anode abscheidet. Die Ladungsspeicherung erfolgt über die reversible Redoxreaktion von Se²⁻ zu Se⁻, während Co²⁺ elektrochemisch inaktiv bleibt. Die Auflösung und Abscheidung von Co(AlCl4)2 tragen durch den Verlust aktiven Materials und die Kontamination der Anode zum Kapazitätsverlust bei, wie durch ex situ-SEM-EDX- und ICP-OES-Analysen bestätigt wurde. Zur Untersuchung der in CoSe identifizierten Degradationspfade wird im zweiten Teil dieser Arbeit die multifunktionale Rolle von Ti3C2TX als passive Komponente untersucht. Die geschichtete Struktur der Ti3C2TX-MXene wurde zunächst ausgewählt, um Separatoren zu modifizieren, da sie das Potenzial besitzt, den Transport gelöster Spezies zu unterdrücken. Aufgrund ihrer überzeugenden physikochemischen Eigenschaften, wie hoher Leitfähigkeit, einstellbarer Oberflächenchemie und mechanischer Stabilität, wurde Ti3C2TX weiter hinsichtlich seiner Rolle bei der Verbesserung der Leistung von Kathoden für RABs untersucht. Ti3C2TX wurde als Stromableiter und Separatoradditiv evaluiert, mit dem Ziel, die Elektrodenintegrität und Leitfähigkeit zu verbessern und den Verlust aktiver Materialien zu verringern. Obwohl Ti3C2TX -basierte Separatoren eine leichte Reduktion des Kobalt-Shuttlings zeigen, reicht dies nicht aus, um die Migration vollständig zu unterdrücken, was die Bedeutung einer zukünftigen Optimierung des Separator-Designs hervorhebt. Dieser integrierte Ansatz unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses sowohl der Mechanismen aktiver Materialien als auch der Wechselwirkungen passiver Komponenten, um die Leistungsfähigkeit und Stabilität chalcogenidbasierter Elektroden für RABs zu verbessern. Die Ergebnisse etablieren ein mechanistisches Rahmenkonzept, das die Grundlage für andere Übergangsmetall-Chalkogenid-Chemien legt und zukünftige Strategien zur Unterdrückung von Degradationsprozessen sowie zur Entwicklung langlebiger, leistungsstarker wiederaufladbarer Aluminiumbatterien aufzeigt.