Hochkapazitäts-Batteriematerial mit Lachs-DNA

Stabilisierung der Oberfläche von überlithierten Schichtoxiden (OLO) mit Hilfe der DNA von Lachsen

20.04.2020 - Korea, Rep.

Einem koreanischen Forschungsteam ist es gelungen, Hochkapazitätskathodenmaterial der nächsten Generation für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Das Korea Institute of Science and Technology (KIST, amtierender Präsident Seok-jin Yoon) gab bekannt, dass das gemeinsame Forschungsteam von Dr. Kyung Yoon Chung (Leiter des Zentrums für Energiespeicherforschung am KIST), Prof. Sang-Young Lee (Professor am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)) und Dr. Kyung Yoon Chung (Leiter des Zentrums für Energiespeicherforschung am KIST), Prof. Sang-Young Lee (Professor am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)) und Dr. Kyung Yoon Chung (Leiter des Zentrums für Energiespeicherforschung am KIST), Prof. Sang-Young Lee (Professor am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)) und Dr. Kyung Yoon Chung (Leiter des Zentrums für Energiespeicherforschung am KIST). Wonyoung Chang (Hauptforscher am Zentrum für Energiespeicherforschung am KIST) haben Hochleistungskathodenmaterial entwickelt, indem sie die Oberfläche von überlithierten Schichtoxiden (OLO) mit Hilfe der DNA von Lachsen stabilisiert haben. Over-lithiated layered oxides (OLO) sind Materialien, die eine große Menge an Lithium enthalten, indem sie vom Übergangsmetallelement zum Lithiumelement in einer Schichtstruktur des Materials ersetzt werden.

In der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie bestimmt die Menge der Lithium-Ionen, die sich während des Lade- und Entladevorgangs zwischen Kathode und Anode hin und her bewegt, die Energiedichte des Batteriesystems. Mit anderen Worten: Die Entwicklung von hochkapazitivem Kathodenmaterial ist für die Erhöhung der Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie unerlässlich.

Überlithierte Schichtoxide (OLO) haben eine hohe reversible Kapazität von 250 mAh/g (im Vergleich zu der reversiblen Kapazität der bestehenden kommerzialisierten Materialien, die nur 160 mAh/g beträgt) und werden seit langem als Kathodenmaterial der nächsten Generation betrachtet, das die Energiespeicherkapazität von Batterien um mehr als 50% verbessern kann. OLO haben jedoch eine große Schwachstelle, da während des Lade-/Entladezyklus die Schichtstruktur von OLO kollabieren kann, was zu einer Schwellung führt und die Batterie unbrauchbar macht.

Das KIST-Forschungsteam verwendete die Transmissionselektronenmikroskopie zur Analyse von Veränderungen in der kristallographischen Struktur durch Unterteilung in spezifische Bereiche von der Oberfläche bis zum Inneren der OLO. Die Ergebnisse der Analyse bestätigten, dass die Metallschichten der OLO durch wiederholte Lade-/Entladezyklen an der Oberfläche zu kollabieren begannen.

Das gemeinsame Forschungsteam verwendete die DNA eines Lachses, der eine starke Affinität zu Lithium-Ionen hat, um die Oberflächenstruktur der OLO zu kontrollieren, die die Ursache für den Materialabbau war. Die DNA des Lachses zeigte jedoch eine Tendenz zur Aggregation in wässrigen Lösungen. Um dieses Problem zu lösen, synthetisierte das Forschungsteam das zusammengesetzte Beschichtungsmaterial, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) und die Lachs-DNA miteinander verband. Die DNA/CNT-Mischung wurde einheitlich angeordnet und an der Oberfläche der OLO befestigt, was zur Entwicklung eines neuen Kathodenmaterials führte.

Das Forschungsteam am KIST führte integrierte fortschrittliche analytische Techniken durch (wobei es eine Reihe von Faktoren untersuchte, von einzelnen Partikeln bis hin zu Elektroden) und stellte fest, dass sich die elektrochemischen Eigenschaften der OLO und die Mechanismen ihrer strukturellen Stabilität verbesserten. Die Ergebnisse der röntgenbasierten In-situ-Analyse für die entwickelte OLO bestätigten, dass die strukturelle Degradation während der Lade-/Entladezyklen unterdrückt und die thermische Stabilität verbessert wurde.

Professor Sang-Young Lee vom UNIST sagte über die Bedeutung der Entwicklung: "Im Gegensatz zu früheren Versuchen verwendet diese Studie DNA, die Grundeinheit des Lebens, und schlägt eine neue Richtung für die Entwicklung von Hochleistungs-Batteriematerialien vor. Kyung Yoon Chung, Leiter des Center for Energy Storage Research, KIST, sagte: "Diese Forschung ist sehr aussagekräftig, da sie Designfaktoren für stabilisiertes Kathodenmaterial mit hoher Kapazität unter Verwendung der integrierten fortschrittlichen Analysetechniken präsentiert. Auf der Grundlage dieser Forschung werden wir mehr Anstrengungen unternehmen, um ein neues Material zu entwickeln, das die bestehenden kommerzialisierten Materialien ersetzen kann".

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Originalveröffentlichung

Ju‐Myung Kim, Jae‐Ho Park, Eunmi Jo, Hyung‐Seok Kim, Seung‐Hyeok Kim, Wonyoung Chang, Kyung Yoon Chung, Sang‐Young Lee; "Ecofriendly Chemical Activation of Overlithiated Layered Oxides by DNA‐Wrapped Carbon Nanotubes"; Advanced Energy Materials 2020.

https://www.chemie.de/news/1165894/hochkapazitaets-batteriematerial-mit-lachs-dna.html