Revolutionäre Batterietechnologie soll die Reichweite von Elektrofahrzeugen um das 10-fache oder mehr erhöhen

Game-changer für Elektroautos entwickelt

30.03.2023 - Korea, Rep.

Der Markt für Elektrofahrzeuge erlebt ein explosives Wachstum, wobei der weltweite Umsatz im Jahr 2022 die Marke von 1 Billion Dollar (ca. 1.283 Billionen KRW) übersteigen wird und der Inlandsabsatz 108.000 Einheiten übersteigt. Zwangsläufig steigt die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien, die die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen können. Kürzlich hat ein gemeinsames Forscherteam von POSTECH und Sogang University ein funktionelles Polymerbindemittel für ein stabiles Anodenmaterial mit hoher Kapazität entwickelt, das die derzeitige Reichweite von Elektrofahrzeugen um mindestens das Zehnfache erhöhen könnte.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der POSTECH-Professoren Soojin Park (Department of Chemistry) und Youn Soo Kim (Department of Materials Science and Engineering) und Professor Jaegeon Ryu (Department of Chemical and Biomolecular Engineering) von der Sogang University entwickelte ein geladenes polymeres Bindemittel für ein Anodenmaterial mit hoher Kapazität, das sowohl stabil als auch zuverlässig ist und eine mindestens zehnmal höhere Kapazität als herkömmliche Graphitanoden bietet. Dieser Durchbruch wurde durch den Ersatz von Graphit durch eine Si- Anode in Kombination mit schichtweise geladenen Polymeren erzielt, wobei Stabilität und Zuverlässigkeit erhalten blieben. Die Forschungsergebnisse wurden als Front Cover Article in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Anodenmaterialien mit hoher Kapazität wie Silizium sind für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte unerlässlich; sie können mindestens die zehnfache Kapazität von Graphit oder anderen derzeit verfügbaren Anodenmaterialien bieten. Die Herausforderung besteht darin, dass die Volumenausdehnung von Anodenmaterialien mit hoher Kapazität während der Reaktion mit Lithium eine Gefahr für die Leistung und Stabilität der Batterie darstellt. Um dieses Problem zu entschärfen, haben Forscher polymere Bindemittel untersucht, die die Volumenausdehnung wirksam kontrollieren können.

Bislang konzentrierte sich die Forschung jedoch ausschließlich auf die chemische Vernetzung und die Wasserstoffbrückenbindungen. Bei der chemischen Vernetzung gehen die Bindemittelmoleküle kovalente Bindungen ein, die sie fest machen, aber einen fatalen Fehler haben: Sind die Bindungen einmal gebrochen, können sie nicht wiederhergestellt werden. Bei der Wasserstoffbrückenbindung hingegen handelt es sich um eine reversible sekundäre Bindung zwischen Molekülen, die auf Unterschieden in der Elektronegativität beruht, aber ihre Stärke (10-65 kJ/mol) ist relativ gering.

Das von dem Forscherteam entwickelte neue Polymer nutzt nicht nur die Wasserstoffbrückenbindung, sondern auch die Coulombschen Kräfte (Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen). Diese Kräfte sind mit einer Stärke von 250 kJ/mol wesentlich stärker als die Wasserstoffbrückenbindungen und dennoch reversibel, so dass sich die Volumenausdehnung leicht steuern lässt. Die Oberfläche von Anodenmaterialien mit hoher Kapazität ist meist negativ geladen, und die schichtweise geladenen Polymere sind abwechselnd mit positiven und negativen Ladungen angeordnet, um sich effektiv mit der Anode zu verbinden. Darüber hinaus führte das Team Polyethylenglykol ein, um die physikalischen Eigenschaften zu regulieren und die Li-Ionen-Diffusion zu erleichtern, was zu der dicken, hochkapazitiven Elektrode und der maximalen Energiedichte in Li-Ionen-Batterien führte.

Professor Soojin Park erklärte: "Die Forschung hat das Potenzial, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien durch den Einsatz von Anodenmaterialien mit hoher Kapazität deutlich zu erhöhen und damit die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu vergrößern. Siliziumbasierte Anodenmaterialien könnten die Reichweite mindestens verzehnfachen".

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