Verbessertes Elektrodenmaterial bringt Batterieforschung näher an den 'heiligen Gral'

Ein Elektrofahrzeug mit einer solchen Batterie könnte mit einer einzigen Ladung 600 Meilen weit fahren

12.10.2020 - China

Elektrofahrzeuge erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, aber ihre lange Ladezeit stellt für potenzielle Kunden eine erhebliche Beeinträchtigung dar. Während ein typisches SUV mit Verbrennungsmotor mit einer fünfminütigen Tankfüllung 300 Meilen zurücklegen könnte, benötigt ein hochmodernes Elektrofahrzeug etwa eine Stunde, um genug Energie für die gleiche Strecke zu speichern. Die Technologie für eine Lithium-Ionen-Batterie mit hoher Kapazität, die sich schnell auflädt und effizient arbeitet, ist immer noch ein unerreichtes Ziel - aber die Forscher sind jetzt näher dran als je zuvor.

Ein internationales Forscherteam veröffentlichte am 8. Oktober in ScienceDetails über ein entwickeltes Elektrodenmaterial, das solche fortschrittlichen Batterien ermöglicht .

"Die Kombination von hoher Energie, hoher Rate und langer Zykluslebensdauer ist der heilige Gral der Batterieforschung, die durch eine der Schlüsselkomponenten der Batterie bestimmt wird: die Elektrodenmaterialien", sagte Hengxing Ji, Professor an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC). "Unser Ziel ist es, nach einem Elektrodenmaterial zu suchen, das eine Delle in den Leistungsmetriken der Laborforschung hinterlassen und das Versprechen halten kann, den industriellen Produktionstechniken und -anforderungen standzuhalten".

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Die Energie gelangt durch elektrochemische Reaktionen in den Elektroden in die Batterie und verlässt sie wieder, so dass ein effizienter und effektiver Lithium-Ionen-Transfer von größter Bedeutung ist, so der Erstautor Hongchang Jin von USTC, insbesondere bei der Übertragung der Energie von der Batterie zum Gerät über die Anode.

Die Forscher wendeten sich schwarzem Phosphor zu, einem Material, das schon früher für den Einsatz in Elektroden in Betracht gezogen wurde, das aber wegen seiner Neigung, sich entlang seiner Schichtkanten zu verformen, gewöhnlich aufgegeben wird, wodurch die Übertragung von Lithium-Ionen zutiefst ineffizient und ein Material minderer Qualität wird. Durch die Kombination von schwarzem Phosphor mit Graphit stabilisieren sich die chemischen Bindungen zwischen diesen beiden Materialien und verhindern die problematischen Kantenveränderungen.

Das Team befasste sich auch mit einem weiteren Problem, das das Material behindert: Elektrolyte können in weniger leitfähige Stücke zerfallen und sich auf der Oberfläche der Elektrode ansammeln, wodurch die Übertragung von Lithium-Ionen in das Elektrodenmaterial verhindert wird, wie Staub, der das Licht durch Glas verdeckt. Das Team brachte eine dünne Polymer-Gel-Beschichtung auf die Elektrodenmaterialien auf und verstärkte den Lithium-Ionen-Transportweg, wodurch das Problem wirksam verhindert wurde.

"Das Verbundanodenmaterial stellte in weniger als 10 Minuten 80% seiner vollen Kapazität wieder her und zeigt eine Lebensdauer von 2000 Zyklen bei Raumtemperatur, die unter Bedingungen gemessen wurde, die mit den industriellen Fertigungsprozessen kompatibel sind", sagte der Mit-Erstautor Sen Xin, Professor des Instituts für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. "Wenn eine skalierbare Produktion erreicht werden kann, könnte dieses Material eine alternative, aktualisierte Graphitanode bieten und uns zu einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Energiedichte von mehr als 350 Wattstunden pro Kilogramm und Schnellladefähigkeit führen. Die erfolgreiche Projektion der oben genannten Parameter auf das Elektrofahrzeug wird dessen Wettbewerbsfähigkeit gegenüber den Brennstoffautos deutlich erhöhen".

Die 350 Wattstunden pro Kilogramm beschreiben die Energiekapazität der Batterie - ein Elektrofahrzeug mit einer solchen Batterie könnte mit einer einzigen Ladung 600 Meilen weit fahren. Zum Vergleich: Das auf dem Markt erhältliche Tesla-Modell S kann mit einer Ladung 400 Meilen fahren.

Mit dieser neuartigen Technologie, so Ji, wollen die Forscher sowohl grundlegenden wissenschaftlichen Fragen des Lithium-Ionen-Lade- und Entladeprozesses nachgehen als auch industriebezogene Fragen zur Skalierung der Verbundwerkstoffproduktion unter schonenderen Bedingungen untersuchen.

"Wir werden technische Materialien von rational ausgewählter Struktur untersuchen, aber unter Berücksichtigung des Preises und der Praktikabilität, um eine attraktive Leistung zu erzielen", sagte Ji.

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Originalveröffentlichung

Hongchang Jin et al.; "Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage"; Science; 09 Oct 2020: Vol. 370, Issue 6513, pp. 192-197

https://www.chemie.de/news/1168228/verbessertes-elektrodenmaterial-bringt-batterieforschung-naeher-an-den-heiligen-gral.html

Originalveröffentlichung

Hongchang Jin et al.; "Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage"; Science; 09 Oct 2020: Vol. 370, Issue 6513, pp. 192-197

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