Optimization of a Porous SiCN(O) Ceramic Matrix for the Application as an Anode in Sodium-ion and Sodium-Metal Batteries

Batteries play a pivotal role in powering various everyday-use devices, ranging from portable electronics to electric vehicles and renewable energy storage. As the demand for efficient and sustainable energy solutions grows, the exploration of alternative battery materials becomes fundamental. The substitution of lithium with sodium represents an appealing transition due to the abundance of sodium resources, cost-effectiveness, and the potential to address concerns associated with lithium scarcity. This work centers on an in-depth investigation of a polymer-derived SiCN(O) porous matrix employed as an anode for sodium-ion and metallic batteries. The SiCN(O) porous matrix is comprehensively characterized to elucidate its structural and chemical properties. A crucial investigation in this work concerns the optimization of the porosity of the matrix to achieve a reversible Na-plating in the pores of the ceramic. Additionally, an in-depth exploration of the overall storage mechanism within this matrix employs advanced techniques, including operando Raman spectroscopy and dynamic electrochemical impedance spectroscopy. A further study involves the investigation of storage properties of SiOC ceramic in dependence of the material microstructure obtained with slow and ultra-fast heating. Using an ultra-fast furnace enhances both the efficiency and the speed of the pyrolysis process. This thesis aims to design, optimize and characterize an innovative sodium storage system with a porous ceramic as a plating matrix. In parallel novel promising anode materials for Na-Ion batteries have been developed.

Batterien spielen eine entscheidende Rolle bei der Energieversorgung verschiedener Alltagsgeräte, von tragbarer Elektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen und der Speicherung erneuerbarer Energien. Mit dem wachsenden Bedarf an effizienten und nachhaltigen Energielösungen wird die Erforschung alternativer Batteriematerialien immer wichtiger. Der Ersatz von Lithium durch Natrium stellt einen vielversprechenden Übergang dar, da Natriumressourcen in großer Menge vorhanden sind, kostengünstig sind und das Potenzial bieten, Probleme im Zusammenhang mit der Lithiumknappheit zu lösen. Diese Arbeit konzentriert sich auf eine eingehende Untersuchung einer polymerbasierten porösen SiCN(O)-Matrix, die als Anode für Natrium-Ionen- und Metallbatterien verwendet wird. Die SiCN(O)-Porenmatrix wird umfassend charakterisiert, um ihre strukturellen und chemischen Eigenschaften zu beleuchten. Ein zentraler Aspekt dieser Arbeit ist die Optimierung der Porosität der Matrix, um ein reversibles Natrium-Plating in den Poren der Keramik zu erreichen. Darüber hinaus erfolgt eine eingehende Untersuchung des gesamten Speichermodus innerhalb dieser Matrix unter Einsatz fortschrittlicher Techniken, einschließlich operando Raman-Spektroskopie und dynamischer elektrochemischer Impedanzspektroskopie. Ein weiterer Untersuchungsbereich umfasst die Erforschung der Speichereigenschaften der SiOC-Keramik in Abhängigkeit von der Materialmikrostruktur, die durch langsames und ultra-schnelles Heizen erreicht wird. Der Einsatz eines ultra-schnellen Ofens steigert sowohl die Effizienz als auch die Geschwindigkeit des Pyrolyseprozesses. Ziel dieser Dissertation ist es, ein innovatives Natriumspeichersystem mit einer porösen Keramik als Plating-Matrix zu entwerfen, zu optimieren und zu charakterisieren. Parallel dazu wurden neuartige, vielversprechende Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt