Elektroden mit hohlen Nanoröhrchen verbessern die Leistung von Kalium-Ionen-Batterien

02.11.2023

Forscher, die nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien suchen, haben ihre Aufmerksamkeit auf Kalium-Ionen-Batterien gerichtet. Kalium ist eine reichlich vorhandene Ressource und die Technologie funktioniert ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien, aber diese Batterien wurden bisher nicht in großem Maßstab entwickelt, weil der Ionenradius Probleme bei der Energiespeicherung und eine minderwertige elektrochemische Leistung verursacht.

Um dieses Problem zu lösen, ziehen die Forscher NiCo₂Se₄, ein bimetallisches Selenid, in Betracht, um kugelförmige Elektroden herzustellen. Die Kugeln bestehen aus NiCo₂Se₄-Nanoröhrchen, die die elektrochemische Reaktivität für eine schnellere Übertragung und Speicherung von Kaliumionen verbessern.

"Bimetallische Selenide vereinen die verbesserten Eigenschaften zweier Metalle, die sich durch reichhaltige Redoxreaktionsstellen und hohe elektrochemische Aktivitäten gegenseitig ergänzen. Ein bimetallisches Selenid, NiCo₂Se₄, wurde bereits für die Speicherung von Natrium, Superkondensatoren und Elektrokatalysatoren untersucht und weist ein erhebliches Potenzial für die Speicherung von Kaliumionen auf. Durch die Synthese von NiCo₂Se₄ in einem zweistufigen hydrothermalen Verfahren entsteht eine Nanoröhrenstruktur mit blumenartigen Clustern, die geeignete Kanäle für den Kaliumionen-/Elektronentransfer bilden", so Mingyue Wang, Forscher am Engineering Research Center of Energy Storage Materials and Devices der Xi'an Jiaotong University in Xi'an, China.

Zunächst werden Ni-Co-Vorläuferkugeln mit festen Nanonadeln hergestellt. Diese Kugeln haben eine wohldefinierte kristalline Struktur, die dann in einem Selenisierungsprozess mit Selenid in Kontakt gebracht wird. Durch diesen Prozess wird Selen in die Ni-Co-Vorstufe eingebracht, wodurch die Hülle der NiCo₂Se_{4-Nanoröhren} entsteht. Die hohlen Röhren bilden sich aufgrund des so genannten Kirkendall-Effekts, bei dem sich zwei Metalle aufgrund der unterschiedlichen Diffusionsraten ihrer Atome bewegen. Diese Nanoröhren sind etwa 35 Nanometer breit und bieten den Kaliumionen und -elektronen genügend Raum für den Transfer.

Durch eine Reihe von Tests und Analysen konnten die Forscher feststellen, wie gut die NiCo₂Se₄-Anoden Kaliumionen und Elektronen transportieren und speichern können. Sie stellten fest, dass NiCo₂Se₄ mehr aktive Stellen hat als andere Elektrodenmaterialien, dass die Elemente gleichmäßig verteilt sind und dass sie besser abschneiden als andere Elektroden, die während der Forschung getestet wurden.

"Die NiCo₂Se₄-Nanoröhrchen-Elektrode zeigte eine viel bessere elektrochemische Leistung in Bezug auf die zyklische Stabilität und die Ratenfähigkeit als andere getestete Elektroden, einschließlich Ni₃Se₄ und Co₃Se₄. Das liegt an der einzigartigen Nanoröhrenstruktur von NiCo₂Se₄ und an der Synergie, die durch die gleichzeitige Anwesenheit von zwei Metallen entsteht", so Wang. Diese monometallischen Gegenstücke, Ni₃Se₄ und Co₃Se₄, waren nicht so erfolgreich wie das bimetallische NiCo₂Se₄, einfach aufgrund der Art und Weise, wie die beiden Metalle (Ni und Co) miteinander interagieren. NiCo₂Se₄hatte auch eine höhere Kapazität, was für die Aufrechterhaltung der zyklischen Stabilität und der Leistung bei hohen Geschwindigkeiten sehr vorteilhaft ist.

"Diese Arbeit bietet neue Einblicke in das Design von mikro-/nanostrukturierten binären Metallseleniden als Anoden für Kalium-Ionen-Batterien mit außergewöhnlicher Kalium-Ionen-Speicherleistung", so Wang.

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