Extrem schnelles Laden von Lithium-Ionen-Batterien
Extrem kurze Ladezeiten, hohe Energiedichte und lange Lebensdauer sind die "heiligen Grale" der Eigenschaften, die die Autoindustrie bei Batterien sucht
Die heutige Gesellschaft vollzieht einen massiven Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Ressourcen und elektrischen Batterien. Trotz der Dringlichkeit, auf umweltfreundlichere Methoden umzusteigen, stellen die zentralen Herausforderungen in Bezug auf Effizienz und Nachhaltigkeit eine Hürde dar, die es zu überwinden gilt. So wird beispielsweise die Massenmarktakzeptanz von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) für den Einsatz in Elektrofahrzeugen durch ihre langsamen Ladegeschwindigkeiten behindert. "Extrem" schnelles Laden (wobei 80 % der Batterie innerhalb von 10 Minuten aufgeladen werden), hohe Energiedichte und Zykluslebensdauer sind die "heiligen Grale" der Eigenschaften, nach denen die Automobilindustrie bei Batterien sucht.
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Um die Schnellladefähigkeit von Batterien zu ermöglichen, versuchen Forscher seit langem, den Stofftransport von Elektrolyten und den Ladungstransport in Elektroden zu verbessern, wobei erstere im Vergleich zu letzteren intensiv erforscht wurden. Nun zeigt eine Studie eines Forscherteams unter der Leitung von Professor Noriyoshi Matsumi vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) einen neuen Ansatz zur Erleichterung des Schnellladens mit Hilfe eines Bindemittels, das die Einlagerung von Li-Ionen in das aktive Material fördert. Das Bindemittelmaterial führt zu einer verbesserten Diffusion der desolvatisierten Li-Ionen über die Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) und innerhalb des Anodenmaterials und sorgt für hohe Leitfähigkeit, niedrige Impedanz und gute Stabilität.
Das Team bestand aus dem ehemaligen Senior Lecturer Rajashekar Badam, der Postdoctoral Research Fellow Anusha Pradhan, dem ehemaligen Graduate Student Ryoya Miyairi und dem Doctoral Course Student Noriyuki Takamori vom JAIST. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Materials Letters veröffentlicht.
"Unsere derzeitige Strategie, ein Lithiumboratpolymer aus biologischem Anbau als wässriges Polyelektrolytbindemittel zu verwenden, um den Ladungstransfer in Elektroden wie Graphitanoden zu verbessern, zeigt eine schnelle Ladefähigkeit", erklären die korrespondierenden Autoren Prof. Matsumi und Prof. Badam vom JAIST. Matsumi und Badam vom JAIST.
Während sich die meisten Forschungsarbeiten zu Batterien auf die Entwicklung aktiver Materialien und einen verbesserten Massentransfer von Elektrolyten konzentrieren, bietet die aktuelle Studie einen anderen Ansatz durch die Entwicklung eines speziellen Bindematerials, das die Lithium-Ionen-Interkalation des aktiven Materials fördert. "Das Bindemittelmaterial enthält hochdissoziierbares Lithiumborat, das die Lithium-Ionen-Diffusion in den Anodenmatrizen verbessert. Außerdem kann dieses Bindemittel eine Organobor-SEI bilden, die im Vergleich zu herkömmlichen Batteriezellen einen sehr geringen Grenzflächenwiderstand aufweist", erklärt Prof. Matsumi.
Die Rolle der Borverbindungen (wie das tetrakoordinierte Bor im Bindemittel und die borreiche SEI) besteht darin, die Desolvatisierung von Li+-Ionen zu unterstützen, indem sie die Aktivierungsenergie der Desolvatisierung von Li+ aus der Lösungsmittelhülle an der SEI verringern. Außerdem wird durch die hohe Diffusion und die niedrige Impedanz das Überpotenzial im Zusammenhang mit dem Ladungstransfer an der Grenzfläche verringert. "Dies ist einer der wichtigsten Faktoren für eine extrem schnelle Aufladung", erklärt Dr. Anusha Pradhan vom JAIST, die Erstautorin der Arbeit ist.
Wenn die Aufladung die Interkalationsrate übersteigt, kommt es im Allgemeinen zu einer Ablagerung von Li auf Graphitelektroden. Dies ist ein unerwünschter Prozess, der zu einer verkürzten Lebensdauer der Batterie führt und die Schnellladefähigkeit einschränkt. In dieser Studie begrenzt die verbesserte Diffusion von Ionen durch die SEI und innerhalb der Elektroden die Konzentrationspolarisation von Li+-Ionen, was dazu führt, dass keine Ablagerungen auf Graphit entstehen.
In ihrer Studie stellen die Forscher nicht nur eine neuartige Strategie für extrem hoch aufladbare Batterien und einen verringerten Grenzflächenwiderstand vor, sondern sie verwendeten auch ein Biopolymer, das aus Kaffeesäure gewonnen wird. Kaffeesäure, eine organische Verbindung auf Pflanzenbasis, ist eine nachhaltige und umweltfreundliche Materialquelle. Während der Markt für diese Batterien enorm wächst, wird die Verwendung biobasierter Ressourcen in diesen Batterien auch die Kohlendioxidemissionen reduzieren.
Prof. Matsumi hebt die Schlüsselfähigkeiten der in dieser Studie verwendeten Struktur hervor und fügt hinzu: "In zukünftigen Studien kann unser Bindemittel auch mit hochaufladbaren aktiven Materialien kombiniert werden, um weitere Synergieeffekte bei der Leistungssteigerung zu erzielen."
Mit zunehmender Forschung im Bereich der Batterieleistung kann man sich schon bald auf umweltfreundlichere Optionen in der Art und Weise freuen, wie wir Energie nutzen, insbesondere im Transportsektor. "Durch die hochaufladbare Batterietechnologie werden die Menschen in den Genuss von Elektrofahrzeugen und praktischen mobilen Geräten kommen. Durch die Verwendung erneuerbarer Ressourcen wird die Verfügbarkeit von Produkten lange aufrechterhalten, unabhängig von der Verfügbarkeit fossiler Ressourcen und von Einflüssen durch hohe soziale Belastungen", schließt Prof. Matsumi.
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