Beschichtete Zinkpartikel unterschiedlicher Morphologie und Partikelgröÿe 79

Ein Vergleich der Zyklenstabilität von 250-Grieÿen (mLeg), 30-Grieÿe (mLeg) und 47-Flakes (mLeg) mit und ohne GBFO-a-Beschichtung in Halbzellen mit Elektrolytüberschuss ist in Abb.

4.4.11a dargestellt, Ladeezienzen in Abb. 4.4.11b sowie weitere Aktivmaterialausnutzungen 4centl,n und irreversible Entladekapazitäten cirr,entl,n in Abb. 4.4.11c.

Die Beschichtung von 47-Flakes (mLeg) mit 0.32 g·m^-2 GBFO-a führte zu einer geringfügigen Verbesserung der Zyklenstabilität, jedoch war die GBFO-a-Beschichtung zu gering, um aus-reichende Reversibilität zu ermöglichen (vgl. Diskussion, Abschnitt 5.1.4). Durch Beschichtung von 250-Grieÿe (mLeg) und 30-Grieÿe (mLeg) mit GBFO-a konnte die Zyklenstabilität deut-lich gesteigert werden, was durch Bi-Bildung während der Ladung und dadurch verringerte Zn-Passivierung erklärt wird. Dennoch el die Zyklenstabilität der 30-Grieÿe (mLeg)+5.1-GBFO-a, verglichen zu 250-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a, stärker ab: Ab dem 6. Zyklus war nahezu keine Wiederbeladung mehr möglich. Dies kann dadurch erklärt werden, dass durch die hohe Zin-kausnutzung während der initialen Entladung (84%) aufgrund geringerer Oberächenbelegung (1.25 g·m^-2) die nahezu vollständige Gesamtzinkausnutzung von 95% bereits nach den ersten 5 Zyklen erreicht wurde und dadurch keine leitfähigen Pfade mehr verblieben. Die Bi-Bildung in

(a)

(b) (c)

Abbildung 4.4.11.: a: Zyklenstabilitäten von 250-Grieÿe (mLeg), 30-Grieÿe (mLeg), 47-Flakes (mLeg), 250-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a, 30-Grieÿe (mLeg)+5.1-GBFO-a und 47-Flakes (mLeg)+4.0-GBFO-a C/20-Rate, mit max. theoretischer spez. Kapazität von 820 mAh·g(Zn)^-1; b: Ladeezienz und c: weitere Aktivmaterialausnutzung4c_entl,n sowie irreversible Entladekapazität c_irr,entl,n beschichteter Zinkpartikel (6 M KOH, Halbzellenaufbau).

der gelbildenden Hülle reichte hierbei nicht aus, um weitere Beladungen zu ermöglichen. Durch die hohe Überspannung der beschichteten groben Grieÿe, welche eine höhere Oberächenbele-gung (1.68 g·m^-2) aufwiesen als beschichtete 30-Grieÿe (mLeg), war die initiale Zinkausnutzung mit etwa 48% vergleichsweise gering. Dadurch erfolgte die Passivierung langsamer und eine ho-he Zyklenstabilität von 20 Zyklen wurde erreicht. Die Zinkausnutzung zwischo-hen dem 2. und 5.

Zyklus betrug etwa 25%.

In Abb. 4.4.12 sind die Ladungsträgerzahlen und elektrochemische Aktivierungsenergien von 250- und 30-Grieÿe (mLeg) mit und ohne GBFO-a-Beschichtung dargestellt, um den Einuss der Partikelgröÿen zu charakterisieren. Kleinere Partikel zeigen geringe Ladungsträgerzahlen und daher auch höhere EA,el.chem. als gröberes Pulver. Durch die höhere Oberäche lösen sich mehr Zinkate, welche Diusion der Ladungsträger behindern. Bei gleichen Partikelgröÿen sind keine deutlichen Unterschiede zwischen beschichtet und unbeschichtet hinsichtlich z und E_A,el.chem.

erkennbar (vgl. auch Abschnitt 4.4.2, Abb. 4.4.7).

4.4. Elektrochemische Performance bismutoxidbasierter Zinkkomposite

Abbildung 4.4.12.: Vergleich elektrochemischer Aktivierungsenergien E_A,el.chem. und Ladungsträger-zahlen z von Zinkgrieÿen unterschiedlicher Gröÿe (250-Grieÿe (mLeg), 30-Grieÿe (mLeg)) mit und ohne Beschichtung mit bismutoxidhaltigen Funktionsoxiden GBFO-a (6 M KOH, Halbzellenaufbau).

Messungen mit Elektrolytlimitierung

Be- und Entladekapazitäten von 250-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a und 30-Grieÿe (mLeg)+5.1-GBFO-a im Vergleich zu unbeschichtetem Zink mit geringer Elektrolytmenge (Ni-Zn-Zellen) sind in Abb. 4.4.13a dargestellt, die zugehörigen Ladeezienzen in Abb. 4.4.13b.

Den Messergebnissen allgemein ist die Tatsache, dass aufgrund der limitierenden Anodenmenge sowie des erhöhten IR-Drops wegen des zweifachen Separatorgeleges die Ausnutzung im Vergleich zu den theoretisch möglichen Werten gering ist. Dennoch kann hier ein interner Vergleich der unterschiedlichen Materialien getroen werden.

Durch GBFO-a-Beschichtungen ergaben sich, wie auch bei Halbzellenmessungen (Vollzyklen ohne intermittierende Pause-Phasen, Abb. 4.4.11a), höhere Entladeüberspannungen, so dass die 1. Ausnutzung von 250-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a (9.6%) niedriger war als von 250-Grieÿe (mLeg) (10.9%)). Ab dem 2. Zyklus konnte durch GBFO-a-beschichtetes Zink bei Elektrolyt-limitierung, ebenso wie bei Elektrolytüberschuss (Halbzellen), höhere Be- und Entladekapazi-täten als bei unbeschichtetem Zink erzielt werden. Die verbesserte Reversibilität von GBFO-a-beschichtetem Zink führte ab dem 2. Zyklus zu einer Entladekapazität von 50 mAh·g(Zn)^-1 (250-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a) bzw. 33 mAh·g(Zn)^-1 (30-Grieÿe (mLeg)+5.1-GBFO-a), im Gegensatz zu 23 mAh·(g)^-1 (250-Grieÿe (mLeg)) bzw. 14 mAh·(g)^-1 (30-Grieÿe (mLeg)). Aual-lend ist auÿerdem, dass durch die GBFO-a-Beschichtung die Ladeezienz bereits im 1. Zyklus über 100% lag. Diese Eekte sind erklärbar durch Einlagerung der Zinkate in eine nach der in-itialen Formierung elektrisch leitfähige Matrix (Abschnitt 4.4.1), wodurch sowohl Ausnutzung als auch Reversibilität zunahmen.

Dennoch zeigt auch unbeschichtetes Zink in Ni-Zn-Zellen eine Zyklenstabilität von mindestens 12 Zyklen. Dies liegt darin begründet, dass sich bei Elektrolytlimitierung weniger Zinkate irre-versibel im Elektrolyten lösten und daher Wiederbeladungen auch ohne GBFO-a-Beschichtung zum Teil möglich waren. Durch Zyklierungen mit Konstantstrom (ohne Pause-Phasen) waren die Kapazitäten deutlich geringer als bei intermittierenden Zyklierungen, da erst bei Pause-Phasen der Konzentrationsgradient an der Oberäche abgebaut wurde (Abschnitt 4.4.1, Abb. 4.4.6).

Da ohne OCV-Phasen folglich weniger Ausnutzung und somit geringere Passivierung erfolgte, war eine hohe Zyklenstabilität (mit geringer Zinkausnutzung) auch von unbeschichtetem Zink möglich. 30 µm Grieÿe lieferten aufgrund höherer Oberäche und somit gröÿeren

Konzentrati-onsgradienten geringere Ausnutzungen, als 250 µm Grieÿe. Ab dem 9. Zyklus zeigen 250-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a einen deutlichen Anstieg der Ladeezienz, was auf Nebenreaktionen wäh-rend der Ladung, wie z. B. Wasserzersetzung, hinweist. Dies lag möglicherweise an der geringeren H2-Überspannung (Abschnitt 4.3.3).

(a) (b)

Abbildung 4.4.13.: Elektrochemische Performance der Anodenmaterialien 250-Grieÿe (mLeg), 30-Grieÿe (mLeg), 250-30-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a und 30-30-Grieÿe (mLeg)+5.1-GBFO-a in Ni-Zn-Zellen (C/100-Rate, 6 M KOH); a: Zyklenstabilität (15 Zyklen, 0.9 V < U < 1.9 V), mit max. theoretischer spez. Kapazität von 640 mAh·g(Zn)^-1, zusätzlich sind die Kapazitäten der ersten 3 Zyklen der intermittierenden Zyklie-rungen aus Abb. 4.4.6 eingetragen; b: Ladeezienz.

4.4.4. Unterschiedliche Beschichtungsanteile

Nachfolgend ist der Einuss unterschiedlicher GBFO-a-Anteile auf die Zyklenstabilität und Aus-nutzung von 250-Grieÿe (mLeg) dargestellt. Grieÿe, beschichtet mit unterschiedlichen Gewichts-anteilen GBFO-a, zeigen alle höhere Reversibilitäten als unbeschichtete Grieÿe (Abb. 4.4.14a).

(a) (b)

Abbildung 4.4.14.: a: Zyklenstabilitäten, b: weitere Aktivmaterialausnutzung4c_entl,n und irreversible Entladekapazität c_irr,entl,n von 250-Grieÿe (mLeg) beschichtet mit unterschiedlichen Anteilen an GBFO-a: 0.4, 1.5, 3.2 und 6.0 Gew.-% (C/20-Rate, 6 M KOH, max.

theoretische spez. Kapazität: 820 mAh·g(Zn)^-1, Halbzellenmessungen).

Die höchste Zyklenstabilität wurde bei einem GBFO-a-Anteil von 3.2 Gew.-% erreicht

(Ober-4.4. Elektrochemische Performance bismutoxidbasierter Zinkkomposite ächenbelegung 1.68 g·m^-2). Auch 4c_entl,n ist bei 250-Grieÿe (mLeg)+3.2-GBFO-a am höchs-ten und c_irr,entl,n am niedrigsten (Abb. 4.4.14b). 250-Grieÿe (mLeg)+6.0-GBFO-a (Oberächen-belegung 3.24 g·m^-2) besaÿen geringere Entladekapazitäten, vergleichsweise hohe c_irr,entl,n und niedrige4centl,n, erklärbar durch die dickere Beschichtung, welche Lade- und Entladeüberspan-nungen erhöhen und daher weniger Ausnutzung zulassen. Der Einuss von GBFO-a auf die Polarisationsmechanismen wurde in Abschnitt 4.4.2 (Abb. 4.4.10) gezeigt. Bei geringer Zuga-be von GBFO-a, so wie Zuga-bei 250-Grieÿe (mLeg)+0.4-GBFO-a (OZuga-berächenZuga-belegung 0.20 g·m^-2) und 250-Grieÿe (mLeg)+1.5-GBFO-a (Oberächenbelegung 0.77 g·m^-2), erhöhte sich die 1. Ent-ladekapazität auf 500 mAh·g^-1. Diese überstieg die Kapazität von 250-Grieÿe (mLeg). Auch hier waren Wiederbeladungen möglich, die jedoch mit 6 Zyklen bei 1.5 Gew.-% GBFO-a bzw. mit 10 Zyklen bei 0.4 Gew.-% GBFO-a geringer sind als bei einer GBFO-a-Zugabe von 3.2 Gew.-%. Der beste Kompromiss zwischen hoher initialer Ausnutzung und hoher Zyklenstabilität konnte daher bei 3.2 Gew.-% GBFO-a erreicht werden (Einuss der Oberächenbelegungen: Abschnitt 5.1.3).