Sekundenschnell aufladbare Natriumbatterie entwickelt
Durchbruch bei der Überwindung der derzeitigen Grenzen von Energiespeichersystemen
Natrium (Na), das mehr als 500 Mal häufiger vorkommt als Lithium (Li), hat in letzter Zeit wegen seines Potenzials für Natrium-Ionen-Batterietechnologien große Aufmerksamkeit erregt. Bestehende Natrium-Ionen-Batterien unterliegen jedoch grundlegenden Beschränkungen, einschließlich geringerer Leistung, eingeschränkter Speichereigenschaften und längerer Ladezeiten, was die Entwicklung von Energiespeichermaterialien der nächsten Generation erforderlich macht.
Abbildung 1. Schematische Syntheseverfahren für Anoden- und Kathodenmaterialien mit hoher Kapazität/Hochgeschwindigkeit für einen Natrium-Ionen-Hybrid-Energiespeicher (SIHES) und die vorgeschlagenen Energiespeichermechanismen. Synthetische Verfahren für (a) ultrafeine, in Eisensulfid eingebettete, S-dotierte Kohlenstoff/Graphen (FS/C/G)-Anoden und (b) aus zeolithischem Imidazolatgerüst abgeleitete poröse Kohlenstoff (ZDPC)-Kathodenmaterialien. (c) Vorgeschlagene Energiespeichermechanismen von Na+-Ionen in der FS/C/G-Anode und ClO-4-Ionen in der ZDPC-Kathode für eine SIHES.
KAIST Nano Materials Simulation and Fabrication Lab
Abbildung 2. Elektrochemische Charakterisierungen von FS/C/G-20//ZDPC SIHES-Vollzellen (links). Ragone-Diagramme für FS/C/G-20//ZDPC (diese Arbeit) und andere zuvor berichtete elektrochemische Natriumionen-Energiespeicher (rechts).
KAIST Nano Materials Simulation and Fabrication Lab
Am 11. April gab das KAIST (vertreten durch Präsident Kwang Hyung Lee) bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jeung Ku Kang von der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik eine Natrium-Ionen-Hybridbatterie mit hoher Energie und Leistung entwickelt hat, die schnell geladen werden kann.
Das innovative hybride Energiespeichersystem kombiniert Anodenmaterialien, die normalerweise in Batterien verwendet werden, mit Kathoden, die für Superkondensatoren geeignet sind. Diese Kombination ermöglicht es dem Gerät, sowohl hohe Speicherkapazitäten als auch schnelle Lade- und Entladeraten zu erreichen, was es zu einer brauchbaren Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation macht.
Die Entwicklung einer Hybridbatterie mit hoher Energie- und Leistungsdichte erfordert jedoch eine Verbesserung der langsamen Energiespeicherrate von Batterieanoden sowie eine Steigerung der relativ geringen Kapazität von Kathodenmaterialien des Superkondensatortyps.
Um dem Rechnung zu tragen, nutzte das Team von Professor Kang zwei unterschiedliche metallorganische Gerüste für die optimierte Synthese von Hybridbatterien. Dieser Ansatz führte zur Entwicklung eines Anodenmaterials mit verbesserter Kinetik durch den Einschluss feiner aktiver Materialien in porösem Kohlenstoff, der von metallorganischen Gerüsten abgeleitet ist. Darüber hinaus wurde ein Kathodenmaterial mit hoher Kapazität synthetisiert, und die Kombination der Kathoden- und Anodenmaterialien ermöglichte die Entwicklung eines Natrium-Ionen-Speicher-Systems, das das Gleichgewicht optimiert und die Unterschiede in den Energiespeicherraten zwischen den Elektroden minimiert.
Die zusammengebaute Vollzelle, die die neu entwickelte Anode und Kathode umfasst, bildet einen leistungsstarken hybriden Natrium-Ionen-Energiespeicher. Diese Vorrichtung übertrifft die Energiedichte kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien und weist die Leistungsdichte von Superkondensatoren auf. Es wird erwartet, dass es sich für Schnellladeanwendungen eignet, die von Elektrofahrzeugen bis hin zu intelligenten elektronischen Geräten und Raumfahrttechnologien reichen.
Professor Kang stellte fest, dass der hybride Natrium-Ionen-Energiespeicher, der schnell geladen werden kann und eine Energiedichte von 247 Wh/kg und eine Leistungsdichte von 34.748 W/kg erreicht, einen Durchbruch bei der Überwindung der derzeitigen Grenzen von Energiespeichersystemen darstellt. Er rechnet mit einer breiteren Anwendung in verschiedenen elektronischen Geräten, einschließlich Elektrofahrzeugen.
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Originalveröffentlichung
Jong Hui Choi, Dong Won Kim, Do Hwan Jung, Keon-Han Kim, Jihoon Kim, Jeung Ku Kang; "Low-crystallinity conductive multivalence iron sulfide-embedded S-doped anode and high-surface area O-doped cathode of 3D porous N-rich graphitic carbon frameworks for high-performance sodium-ion hybrid energy storages"; Energy Storage Materials, Volume 68
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