Neue Entdeckung ermöglicht schnell-ladende, leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien

Materialien könnten die Batterieleistung in der Unterhaltungselektronik, in Elektrofahrzeugen und mehr steigern

18.04.2019 - USA

Die Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie, die in wenigen Minuten aufgeladen werden kann, aber dennoch mit hoher Kapazität arbeitet, ist möglich, ergibt die Forschung des Rensselaer Polytechnischen Instituts, die gerade in Nature Communications veröffentlicht wurde. Diese Entwicklung hat das Potenzial, die Batterieleistung für Unterhaltungselektronik, Solarstromspeicher und Elektrofahrzeuge zu verbessern.

Eine Lithium-Ionen-Batterie lädt und entlädt sich, wenn sich Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden bewegen, die als Anode und Kathode bezeichnet werden. In einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie besteht die Anode aus Graphit, während die Kathode aus Lithium-Kobalt-Oxid besteht.

Diese Materialien funktionieren gut zusammen, weshalb Lithium-Ionen-Batterien immer beliebter werden, aber die Forscher von Rensselaer glauben, dass die Funktion weiter verbessert werden kann.

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"Der Weg, Batterien besser zu machen, ist die Verbesserung der Materialien für die Elektroden", sagt Nikhil Koratkar, Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt und Nukleartechnik bei Rensselaer und korrespondierender Autor der Arbeit. "Was wir versuchen, ist, die Lithium-Ionen-Technologie noch leistungsfähiger zu machen."

Koratkars umfangreiche Forschung in den Bereichen Nanotechnologie und Energiespeicherung hat ihn zu einem der meistzitierten Forscher der Welt gemacht. In dieser jüngsten Arbeit verbesserten Koratkar und sein Team die Leistung, indem sie Kobaltoxid durch Vanadiumdisulfid (VS2) ersetzten.

"Es verleiht eine höhere Energiedichte, weil es leicht ist. Und es bietet eine schnellere Ladefähigkeit, da es sehr leitfähig ist. Aus dieser Sicht haben wir uns von diesem Material angezogen gefühlt", sagt Koratkar, der auch Professor am Department of Materials Science and Engineering ist.

Die Begeisterung über das Potenzial von VS2 ist in den letzten Jahren gewachsen, aber bis jetzt, so Koratkar, waren die Forscher durch seine Instabilität herausgefordert worden - eine Eigenschaft, die zu einer kurzen Akkulaufzeit führen würde. Die Rensselaer-Forscher fanden nicht nur heraus, warum diese Instabilität auftrat, sondern entwickelten auch einen Weg, sie zu bekämpfen.

Das Team, zu dem auch Vincent Meunier, Leiter der Abteilung für Physik, Angewandte Physik und Astronomie, und andere gehörten, stellte fest, dass die Lithium-Insertion eine Asymmetrie im Abstand zwischen den Vanadiumatomen verursachte, die als Peierls-Verzerrung bekannt war, die für den Zerfall der VS2-Flocken verantwortlich war. Sie entdeckten, dass die Abdeckung der Flocken mit einer nanoschichtigen Beschichtung aus Titandisulfid (TiS2) - einem Material, das Peierls nicht verformt - die VS2-Flocken stabilisieren und ihre Leistung innerhalb der Batterie verbessern würde.

"Das war neu. Die Leute hatten nicht erkannt, dass dies die zugrundeliegende Ursache war", sagte Koratkar. "Die TiS2-Beschichtung wirkt wie eine Pufferschicht. Es hält das VS2-Material zusammen und bietet mechanische Unterstützung."

Nachdem dieses Problem gelöst war, stellte das Team fest, dass die VS2-TiS2-Elektroden mit einer hohen spezifischen Kapazität arbeiten oder viel Ladung pro Masseneinheit speichern konnten. Koratkar sagte, dass Vanadium und Schwefel aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts eine hohe Kapazität und Energiedichte bieten. Ihre geringe Größe würde auch zu einer kompakten Batterie beitragen.

Als das Laden schneller erfolgte, sagte Koratkar, sank die Kapazität nicht so stark wie bei anderen Elektroden. Die Elektroden konnten eine angemessene Kapazität aufrechterhalten, da das VS2-TiS2-Material im Gegensatz zu Kobaltoxid elektrisch leitfähig ist.

Koratkar sieht mehrere Anwendungen für diese Entdeckung in der Verbesserung von Autobatterien, Strom für tragbare Elektronik und Solarenergiespeichern, wo hohe Kapazität wichtig ist, aber auch eine höhere Ladegeschwindigkeit attraktiv wäre.

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Originalveröffentlichung

Lu Li et al.; "Vanadium disulfide flakes with nanolayered titanium disulfide coating as cathode materials in lithium-ion batteries"; Nature Communications; Volume 10, Article number: 1764 (2019)

https://www.chemie.de/news/1160684/neue-entdeckung-ermoeglicht-schnell-ladende-leistungsfaehigere-lithium-ionen-batterien.html

Originalveröffentlichung

Lu Li et al.; "Vanadium disulfide flakes with nanolayered titanium disulfide coating as cathode materials in lithium-ion batteries"; Nature Communications; Volume 10, Article number: 1764 (2019)

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