Entwicklung von Hartkohlenstoffelektroden für Batterien der nächsten Generation
Wissenschaftler nutzen anorganische Verbindungen auf Zinkbasis, um die Kapazität von Natrium- und Kalium-Ionen-Batterien erheblich zu verbessern
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind die bei weitem am häufigsten verwendete Art von wiederaufladbaren Batterien, die zahlreiche Anwendungen abdecken. Dazu gehören Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeuge (z. B. Tesla-Autos), erneuerbare Energiesysteme und Raumfahrzeuge. Obwohl LIBs im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterien in vielerlei Hinsicht die beste Leistung erbringen, haben sie auch einige Nachteile. Lithium ist eine ziemlich knappe Ressource, und sein Preis wird in Zukunft schnell steigen, während seine Verfügbarkeit sinkt. Außerdem stellen die Gewinnung von Lithium und die unsachgemäße Entsorgung von LIBs ein großes Problem für die Umwelt dar, da die in ihnen verwendeten flüssigen Elektrolyte giftig und entflammbar sind.
Durch die Verwendung von Zinkoxid als Vorlage bei der Synthese von Hartkohlenstoff können Nanoporen in das Material eingebracht werden. Diese Poren ermöglichen es dem Material, viel mehr Ladungsträger zu speichern, was es zu einem vielversprechenden Elektrodenkandidaten für Natrium-Ionen-Batterien macht, die eine Energiedichte erreichen können, die mit der von Lithium-Ionen-Batterien vom Typ LiFePO4 vergleichbar ist.
Shinichi Komaba from Tokyo University of Science (TUS), Japan
Symbolbild
Computer-generated image
Die Unzulänglichkeiten von LIBs haben Forscher weltweit motiviert, nach alternativen Energiespeichertechnologien zu suchen. Natrium (Na)-Ionen-Batterien (NIBs) und Kalium-Ionen-Batterien (KIBs) sind zwei sich schnell entwickelnde Optionen, die sowohl kosteneffizient als auch nachhaltig sind. Sowohl für NIBs als auch für KIBs wird prognostiziert, dass sie bis zum Ende des Jahrzehnts eine Milliarden-Dollar-Industrie sein werden. Regierungen auf der ganzen Welt, darunter die der USA, Österreichs, Hongkongs, Deutschlands und Australiens, fördern die Forschung und Innovation in diesem Bereich. Außerdem investieren Unternehmen wie Faradion Limited, TIAMAT SAS und HiNa Battery Technology Co. Ltd. stark in diese Technologie investiert. Sowohl Contemporary Amperex Technology Co. Limited und Build Your Dreams werden voraussichtlich bald Batteriepacks für Elektrofahrzeuge mit NIBs auf den Markt bringen.
Leider liegt die Kapazität der in NIBs und KIBs verwendeten Elektrodenmaterialien noch hinter der von LIBs zurück. Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Shinichi Komaba von der Tokyo University Science (TUS), Japan, an der Entwicklung bahnbrechender Elektrodenmaterialien mit hoher Kapazität für NIBs und KIBs gearbeitet. In ihrer jüngsten Studie, die am 9. November 2023 in der Zeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht wurde, berichten sie über eine neue Synthesestrategie für nanostrukturierte "Hartkohlenstoff"-Elektroden (HC), die eine noch nie dagewesene Leistung bieten. Die Studie wurde von Daisuke Igarashi, Yoko Tanaka und Junior Associate Professor Ryoichi Tatara von der TUS sowie von Dr. Kei Kubota vom National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, verfasst.
Aber was ist HC und warum ist es für NIBs und KIBs nützlich? Im Gegensatz zu anderen Formen von Kohlenstoff wie Graphen oder Diamant ist HC amorph, d. h. er hat keine klar definierte kristalline Struktur. Außerdem ist er stark und widerstandsfähig. In einer früheren Studie aus dem Jahr 2021 hatten Prof. Komaba und seine Kollegen eine Möglichkeit gefunden, Magnesiumoxid (MgO) als Vorlage bei der Synthese von HC-Elektroden für NIBs zu verwenden und so deren endgültige Nanostruktur zu verändern. Der Prozess führte zur Bildung von Nanoporen in den Elektroden, nachdem das MgO entfernt worden war, was wiederum ihre Kapazität zur Speicherung von Na+-Ionen erheblich steigerte.
Angeregt durch ihre früheren Ergebnisse untersuchten die Forscher, ob sich auch Verbindungen aus Zink (Zn) und Kalzium (Ca) als Nano-Templates für HC-Elektroden eignen würden. Zu diesem Zweck untersuchten sie systematisch verschiedene HC-Proben, die aus Zinkoxid (ZnO) und Kalziumkarbonat (CaCO3) hergestellt wurden, und verglichen ihre Leistung mit denjenigen, die aus Magnesiumoxid (MgO) synthetisiert wurden.
Vorläufige Experimente zeigten, dass ZnO besonders vielversprechend für die negative Elektrode von NIBs war. Dementsprechend optimierten die Forscher die Konzentration des in die HC-Matrix eingebetteten ZnO während der Synthese und wiesen eine reversible Kapazität von 464 mAh g-1 (entsprechend NaC4,8) mit einem hohen anfänglichen Coulomb-Wirkungsgrad von 91,7% und einem niedrigen durchschnittlichen Potenzial von 0,18 V gegenüber Na+/Na nach.
Das Team erzielte bemerkenswerte Ergebnisse, indem es dieses leistungsstarke Elektrodenmaterial in eine echte Batterie einbaute. "Die mit dem optimierten ZnO-templierten HC als negative Elektrode hergestellte NIB wies eine Energiedichte von 312 Wh kg-1 auf", betont Prof. Komaba. "Dieser Wert entspricht der Energiedichte bestimmter Arten von derzeit kommerziell erhältlichen LIBs mit LiFePO4 und Graphit und ist mehr als 1,6 Mal so hoch wie die Energiedichte der ersten NIBs (192 Wh kg-1), über die unser Labor bereits 2011 berichtete." Bemerkenswert ist, dass der mit ZnO beschichtete HC auch eine beachtliche Kapazität von 381 mAh g-1 aufweist, wenn er in einen KIB eingebaut wird, was sein Potenzial weiter unterstreicht.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass die Verwendung von anorganischen Nanopartikeln als Schablone zur Kontrolle der Porenstruktur eine wirksame Richtlinie für die Entwicklung von HC-Elektroden darstellen kann. "Unsere Ergebnisse beweisen, dass HCs vielversprechende Kandidaten für negative Elektroden als Alternative zu Graphit sind", schließt Prof. Komaba.
Dies wiederum könnte NIBs für praktische Anwendungen wie die Entwicklung von nachhaltiger Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeugen sowie von Energiespeichersystemen mit geringem Kohlendioxidausstoß zur Speicherung von Energie aus Solar- und Windkraftanlagen nutzbar machen.
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