Schlüssel zur Entwicklung besserer Batterien

"Diese Studie wirft wirklich ein Licht darauf, wie wir Batterieelektroden entwerfen und herstellen können, um eine lange Lebensdauer der Batterien zu erreichen"

03.05.2022 - USA

Es geht nicht schnell. Es kann Wochen dauern, bis man es bemerkt. Sie haben die frisch aufgeladenen Lithium-Ionen-AA-Batterien im kabellosen Kätzchenbrunnen, und sie halten zwei Tage. Früher hielten sie eine Woche oder länger. Eine weitere Aufladung und sie halten einen Tag. Bald nichts mehr.

Man könnte Ihnen verzeihen, wenn Sie dastehen und Ihr eigenes Handeln hinterfragen würden. "Moment, habe ich die aufgeladen?"

Keine Sorge, es liegt nicht an Ihnen. Es liegt an der Batterie. Nichts hält ewig, nicht einmal die vermeintlich langlebigen wiederaufladbaren Batterien, seien es die im Laden gekauften AA- oder AAA-Batterien oder die Batterien in unseren Handys, drahtlosen Ohrhörern oder Autos. Batterien zerfallen.

Ein aufsteigender Stern in der Energiewelt

Entwicklung leistungsfähiger MXene-Elektroden für die nächste Generation leistungsstarker Batterien

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Feng Lin, außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie des Virginia Tech College of Science, ist an einer neuen internationalen Studie beteiligt, die heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde und einen neuen Blick auf die Faktoren wirft, die für die Lebensdauer einer Batterie verantwortlich sind, sowie darauf, wie sich diese Faktoren im Laufe der Zeit unter Schnellladebedingungen verändern. Zu Beginn, so die Studie, scheint der Batterieverfall durch die Eigenschaften einzelner Elektrodenpartikel bedingt zu sein, doch nach mehreren Dutzend Ladezyklen kommt es mehr darauf an, wie diese Partikel zusammengesetzt sind.

"Diese Studie wirft wirklich ein Licht darauf, wie wir Batterieelektroden entwerfen und herstellen können, um eine lange Lebensdauer der Batterien zu erreichen", sagte Lin. Sein Labor arbeitet nun an der Neugestaltung von Batterieelektroden mit dem Ziel, Elektrodenarchitekturen herzustellen, die schnelles Aufladen und eine längere Lebensdauer zu einem Bruchteil der heutigen Kosten ermöglichen und zudem umweltfreundlich sind.

"Wenn die Elektrodenarchitektur es ermöglicht, dass jedes einzelne Partikel schnell auf elektrische Signale reagiert, haben wir ein gutes Instrumentarium, um Batterien schnell aufzuladen. Wir freuen uns darauf, diese Erkenntnisse in die nächste Generation kostengünstiger Schnellladebatterien einfließen zu lassen", so Lin.

Die Studie, an der Lin als Co-Autor beteiligt ist, wird in Zusammenarbeit mit dem SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, der Purdue University und der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage durchgeführt. Die Postdoktoranden Zhengrui Xu und Dong Hou aus dem Lin-Labor, die ebenfalls Mitautoren der Arbeit sind, leiteten die Elektrodenherstellung, die Batterieherstellung und die Messungen der Batterieleistung und halfen bei den Röntgenexperimenten und der Datenanalyse.

"Die grundlegenden Bausteine sind die Partikel, aus denen die Batterieelektrode besteht, aber wenn man herauszoomt, interagieren diese Partikel miteinander", sagte der SLAC-Wissenschaftler Yijin Liu, ein Forscher an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) und einer der Hauptautoren der Studie. Wenn man also eine bessere Batterie bauen will, muss man sich überlegen, wie man die Teilchen zusammenbringt".

Im Rahmen der Studie untersuchten Lin, Liu und andere Kollegen mit Hilfe von Computer-Vision-Techniken, wie die einzelnen Partikel, aus denen eine wiederaufladbare Batterieelektrode besteht, mit der Zeit auseinanderbrechen. Das Ziel war diesmal, nicht nur einzelne Partikel zu untersuchen, sondern auch die Art und Weise, wie sie zusammenarbeiten , um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern - oder zu verkürzen. Das natürliche Ziel: neue Wege zu finden, um die Lebensdauer von Batterien zu verlängern.

Im Rahmen seiner Forschung untersuchte das Team Batteriekathoden mit Röntgenstrahlen. Mithilfe der Röntgentomografie rekonstruierten sie 3D-Bilder der Kathoden von Batterien, nachdem diese verschiedene Ladezyklen durchlaufen hatten. Anschließend zerlegten sie diese 3D-Bilder in eine Reihe von 2D-Scheiben und verwendeten Computer-Vision-Methoden, um Partikel zu identifizieren. An der Studie waren neben Lin und Liu auch Jizhou Li, ein SSRL-Postdoktorand, Keije Zhao, ein Purdue-Maschinenbauprofessor, und Nikhil Sharma, ein Purdue-Diplomstudent, beteiligt.

Die Forscher identifizierten schließlich mehr als 2.000 einzelne Partikel, für die sie nicht nur individuelle Partikeleigenschaften wie Größe, Form und Oberflächenrauhigkeit berechneten, sondern auch Merkmale wie die Häufigkeit des direkten Kontakts der Partikel miteinander und die Formvielfalt der Partikel.

Als Nächstes untersuchten sie, wie jede dieser Eigenschaften zum Zusammenbruch der Partikel beitrug, und es zeigte sich ein auffälliges Muster. Nach 10 Ladezyklen waren die größten Faktoren die Eigenschaften der einzelnen Partikel, einschließlich der Kugelform und des Verhältnisses von Partikelvolumen zu Oberfläche. Nach 50 Zyklen jedoch waren Paar- und Gruppeneigenschaften - wie der Abstand zwischen zwei Partikeln, die Form der Partikel und die ähnliche Ausrichtung länglicher, fußballförmiger Partikel - ausschlaggebend für den Zusammenbruch der Partikel.

"Es geht nicht mehr nur um das Teilchen selbst. Es kommt auf die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen an", sagte Liu. "Das ist wichtig, denn es bedeutet, dass die Hersteller Techniken entwickeln könnten, um solche Eigenschaften zu kontrollieren. So könnten sie zum Beispiel magnetische oder elektrische Felder nutzen, um längliche Partikel zueinander auszurichten, was nach den neuen Ergebnissen zu einer längeren Lebensdauer der Batterien führen würde".

Lin fügte hinzu: "Wir haben uns intensiv mit der Frage beschäftigt, wie Batterien für Elektrofahrzeuge unter Schnelllade- und Niedrigtemperaturbedingungen effizient arbeiten können.

"Neben der Entwicklung neuer Materialien, die die Batteriekosten durch die Verwendung billigerer und häufiger vorkommender Rohstoffe senken können, hat unser Labor auch daran gearbeitet, das Verhalten von Batterien abseits des Gleichgewichts zu verstehen", so Lin, "Wir haben begonnen, Batteriematerialien und ihre Reaktion auf diese rauen Bedingungen zu untersuchen."

Zhao, Professor an der Purdue University und Mitautor der Studie, verglich das Degradationsproblem mit der Arbeit von Menschen in Gruppen. "Batterieteilchen sind wie Menschen - am Anfang gehen wir alle unseren eigenen Weg", sagte Zhao. "Aber irgendwann treffen wir auf andere Menschen und landen in Gruppen, die in dieselbe Richtung gehen. Um die maximale Effizienz zu verstehen, müssen wir sowohl das individuelle Verhalten der Teilchen als auch das Verhalten dieser Teilchen in Gruppen untersuchen."

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