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Investigation of the ternary Cu-Li-Sn system and its binary subsystems as new anode materials for improved lithium-ion batteries

Fürtauer, Siegfried (2016) Investigation of the ternary Cu-Li-Sn system and its binary subsystems as new anode materials for improved lithium-ion batteries.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Flandorfer, Hans

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30944.55455.380654-2
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30944.55455.380654-2

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Abstract in Englisch

This work is an experimental investigation on the ternary Cu-Li-Sn system and the binary subsystems Cu-Sn, Cu-Li and Li-Sn. It was done within the framework of the DFG priority program “WeNDeLIB” (Materials for the New Design of Li-Ion Batteries). The ternary alloys are interesting materials for improved Li-ion batteries, which could be used for high-power applications as stationary energy storage systems or electro mobility. Despite some lithiation experiments have been already performed with these materials by various authors, the phase relations, particularly the phase diagram, was widely unknown. However, for the design of new Li-ion batteries based on computational methods thermodynamic data for the respective material systems are indispensable. For this work more than 140 samples from the ternary and constituent binary systems were prepared, annealed at different temperatures and quenched. The phase relations were examined with powder XRD, the reaction and transformation temperatures have been determined by DTA techniques. High-temperature powder XRD was employed to verify the transformations between the non-quenchable high temperature phases of the Cu-Sn system. All binary phase diagrams have been essentially improved and missing phase diagram data was completed. The complete ternary system was newly investigated, because very scarce literature data was available. In addition to the two known ternary phases, six further ones were identified by powder XRD in which the crystal structures of four phases could be described doing single-crystal XRD. Major phase fields were located by powder XRD, isotherms at 300 °C, 400 °C, 500 °C and 600 °C were established. DTA of all samples together with XRD results revealed a most probable version of the ternary Cu-Li-Sn phase diagram, which is described by nine isopleths, a liquidus surface projection and a corresponding Scheil reaction scheme. Mixing enthalpies at 500 and 800 °C were measured in the systems Cu-Li, Li-Sn and Cu-Li-Sn by drop calorimetry. All our results will mandatorily contribute to a high quality thermodynamic assessment of the Cu-Li-Sn system which gives access to the calculation and estimation of various materials properties.

Schlagwörter in Englisch

Lithium-ion battery / phase diagram / Cu-Li-Sn / Cu-Sn / Cu-Li / Li-Sn / calorimetry / mixing enthalpy / formation enthalpy / powder X-ray diffraction / single crystal X-ray diffraction / differential thermal analysis / crystal structure / isotherms / isopleths

Abstract in Deutsch

Die vorliegende Arbeit stellt eine experimentelle Untersuchung des ternären Systems Cu-Li-Sn und den zugehörigen binären Randsystemen Cu-Sn, Cu-Li und Li-Sn dar. Sie wurde im Rahmen des Schwerpunktprogrammes “WeNDeLIB” (Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien) durchgeführt. Die ternären Legierungen sind potentielle Materialien für verbesserte Li-Ionen Akkus, die für Hochenergieanwendungen wie stationäre Energiespeicher oder Elektrofahrzeuge geeignet sind. Obwohl es diesbezüglich bereits einige wenige konkrete Untersuchungen gab, sind die genauen Phasenverhältnisse, die die Ein- und Auslagerung von Lithium bedingen, noch unzureichend erforscht. Im Speziellen betrifft dies die genaue Kenntnis des Phasendiagramms. Für ein zielgerichtetes Design von verbesserten Li-Ionen Akkus mittels computerunterstützten Verfahren ist eine genaue Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften der zugehörigen Materialsysteme unabdingbar. In dieser experimentellen Arbeit wurden über 140 binäre und ternäre Legierungsproben hergestellt, bei verschiedenen Temperaturen getempert und anschließend abgeschreckt. Die Phasenverhältnisse wurden mittels Pulverröntgendiffraktometrie untersucht, die Reaktions- und Umwandlungstemperaturen erschlossen sich aus der Differenzthermoanalyse. An gepulverten Cu-Sn Legierungen wurden zusätzlich Hochtemperaturuntersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Daraus ergaben sich Überlegungen zum Umwandlungsmechanismus der beiden Hochtemperaturphasen, welche aus abgeschreckten Proben nicht isolierbar waren. Alle erwähnten binären Phasendiagramme wurden eingehend überprüft und bisher fehlende experimentelle Informationen ergänzt. Das komplette ternäre System wurde neu untersucht, da kaum Literatur zu diesem System verfügbar war. Zusätzlich zu den zwei bekannten ternären Phasen wurden sechs weitere mittels Pulverröntgendiffraktometrie entdeckt, die Kristallstrukturen von vier davon konnten mittels Einkristalldaten aufgeklärt werden. Die wichtigsten Phasenfelder im System Cu-Li-Sn wurden mittels Pulverröntgendaten lokalisiert, des Weiteren wurden isotherme Schnitte bei 300 °C, 400 °C, 500 °C und 600 °C beschrieben. Durch Thermoanalyse von allen Proben und Interpretation der aufgetretenen Temperatureffekte, in Kombination mit der Kenntnis der Röntgenstrukturdaten, konnte eine weitgehend vollständige Beschreibung des Phasendiagramms erzielt werden. Dieses wurde in neun weiteren vertikalen Schnitten, einer Projektion der Schmelzoberfläche sowie eines Reaktionsschemas nach Scheil dargestellt. Des Weiteren wurden molare Mischungsenthalpien bei 500 und 800 °C von den Systemen Cu-Li, Li-Sn und Cu-Li-Sn mittels Einwurfkalorimetrie gemessen. Alle diese Ergebnisse sind Ausgangspunkt für eine qualitativ hochwertige thermodynamische Beschreibung des Legierungssystems Cu-Li-Sn und tragen einen wesentlichen Teil dazu bei, dessen Materialeigenschaften berechnen und abschätzen zu können.

Schlagwörter in Deutsch

Lithium-Ionen-Akkus / Phasendiagramm / Cu-Li-Sn / Cu-Sn / Cu-Li / Li-Sn / Kalorimetrie / Mischungsenthalpie / Bildungsenthalpie / Pulverröntgendiffraktometrie / Einkristallröntgendiffraktometrie / Differenzthermoanalyse / Kristallstruktur / Isothermen / Isoplethen

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Fürtauer, Siegfried
Titel: Investigation of the ternary Cu-Li-Sn system and its binary subsystems as new anode materials for improved lithium-ion batteries
Umfangsangabe: 220 Seiten : Illustrationen
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Publikationsjahr: 2016
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Flandorfer, Hans
BeurteilerIn: Lengauer, Christian
2. BeurteilerIn: Seifert, Jürgen
Klassifikation: 35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines
35 Chemie > 35.90 Festkörperchemie
35 Chemie > 35.12 Chemische Thermodynamik, Phasenlehre
33 Physik > 33.64 Zustandsgleichungen, Phasenübergänge
33 Physik > 33.60 Kondensierte Materie: Allgemeines
51 Werkstoffkunde > 51.54 Nichteisenmetalle und ihre Legierungen
AC-Nummer: AC13452124
Dokumenten-ID: 43324
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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