Als eines der vielversprechenden Kandidaten für die zukünftige Energiespeicherung haben Lithium-Schwefel-Batterien seit ihrer Erfindung aufgrund ihrer überlegenen Energiedichte und niedrigen Produktionskosten viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Hindernisse wie die isolierende Natur, die Volumenausdehnung und der "Shuttle-Effekt" behindern jedoch signifikant die praktische kommerzielle Anwendung von Lithium-Schwefel-Batterien. Das Entwerfen und Bauen eines neuartigen Schwefel-Wirtes mit leitfähiger Mikro-Nanostruktur in der Kathode ist ein potenzieller Weg, um die Probleme der Lithium-Schwefel-Batterien zu lösen. C-reiche keramische Matrices stellen aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit und robusten, belastbaren mechanischen Eigenschaften ideale Skelettmaterialien für den Schwefel-Wirt dar. Diese Dissertation präsentiert einfache und kosteneffektive Methoden zur Herstellung C-reicher SiCN/SiOC-Keramiken und SiCN-BN-Kompositen als Schwefel-Wirtsmaterialien für die Kathode in Lithium-Schwefel-Batterien mit verbesserter elektrochemischer Leistung.

Zunächst wurden poröse C-reiche SiCN-Keramikmatrices durch Vernetzung eines Si-Polymers und anschließende Pyrolyse im Temperaturbereich zwischen 1000 °C und 1600 °C unter Argon synthetisiert. Über eine Schmelz-Diffusions-Technik wurde Schwefel bei 155 °C in die Poren der SiCN-Keramik erfolgreich infiltriert. Nach Charakterisierung und Leistungstest wird der Einfluss der Anfangsporosität und elementaren Zusammensetzung der SiCN-Keramik auf die elektrochemische Leistung der SiCN-S-Komposite diskutiert. Demzufolge, zeigt das bei 1000 °C pyrolysierte Material Mesoporosität auf. Aufgrund der in SiCN dispergierten und in-situ gebildeten freien Kohlenstoffphase, weist das Material die beste elektrochemische Stabilität und die höchste Kapazität (mehr als 310 mAh/g über 40 Zyklen) bei einem hohen Schwefelgehalt von 66 Gew.-% auf.

Als Nächstes untersuchten wir das elektrochemische Verhalten der bei relativ niedrigen Temperaturen pyrolisierten C-reichen SiCN-Keramiken. Hierzu wurden C-reiche SiCN-Komposite bei Temperaturen von 800 ℃ bis 1100 ℃ synthetisiert. Die erhaltenen Ergebnisse der mit Schwefel gefüllten SiCN-Keramiken zeigen, dass eine Kombination aus mesoporösem SiCN und einer darin dispergierten freien Kohlenstoffphase die elektrochemische Leistung signifikant erhöht. Auf diese Weise ist eine bei 900 °C erhaltene SiCN-Matrix überlegen gegenüber SiCN, das bei niedrigeren und höheren Temperaturen synthetisiert wurde. Die bei 900 °C synthetisierte SiCN Kathode erreicht einen Kapazitätswert von mehr als 195 mAh/g über 50 Zyklen bei einem hohen Schwefelgehalt von 66 Gew.-%. Anschließend untersuchten wir die elektrochemische Leistung von drei verschiedenen Schwefel/PDC-Kathoden weiter. In zwei dieser Kathoden wird Schwefel in PDC-abgeleitete SiOC- und SiCN-Aerogele infiltriert, die durch überkritische CO2-Trocknung hergestellt wurden. In der dritten Kathode ist Schwefel in mesoporösem SiOC eingeschlossen, das durch eine „Polymer-Spacer“-Methode erzeugt wurde. Die Verbundkathoden wurden einer elektrochemischen Charakterisierung unterzogen und ihre Leistungen wurden analysiert und mit der chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur des PDC-Gerüsts korreliert.

Zusätzlich wurden zur weiteren Verbesserung der elektrochemischen Performanz poröse, C-reiche SiCN-BN Verbundkeramiken synthetisiert. Hierzu wurden Mischungen aus porösem SiCN-Pulver, Borsäure und Urea bei verschiedenen Temperaturen (950 °C, 1100 °C und 1250 °C) erhitzt. Die auf diese Weise bei 950 °C hergestellte Probe SiCN-BN-950/S zeigt eine reversible Kapazität von 445 mAh/g und 62% der Kapazitätserhaltung nach 60 Zyklen unter 3,78 g/cm2 der flächenbezogenen Dichte und 66 Gew.-% des Schwefelaufladens. Die hervorragende Zyklusstabilität wird dem synergistischen Effekt von BN und C-reicher SiCN-Keramikmatrix zugeschrieben.

Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass C-reiche SiCN/SiOC-Keramiken vielversprechende Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien mit verbesserter elektrochemischer Leistungdarstellen. Vorliegende Arbeit beschreibt kostenkontrollierte und effiziente Synthesewege für die Bereitstellung geeigneter Kathodenmaterialien in Lithium-Schwefel-Batterien, die für eine großtechnische industrielle Produktion geeignet sind und die eine Referenz für die Verwendung von Keramikmaterialien in Energiespeichersystemen darstellen.