Neuartiges redox-aktives metallorganisches Gerüst als Anodenmaterial für Li-Batterien, die unter Gefrierbedingungen betrieben werden

Erzielt eine fünfmal höhere Entladekapazität als Graphitanodenmaterial, selbst in Umgebungen mit einer Temperatur von bis zu minus 20 Grad Celsius

27.08.2024

Das Korea Institute of Energy Research (KIER) hat ein redoxaktives metallorganisches Hybridelektrodenmaterial (SKIER-5) für Li-Ionen-Batterien entwickelt, das auch unter kalten Bedingungen von bis zu minus 20 Grad Celsius stabil bleibt. SKIER-5 hat das Potenzial, eine überlegene Alternative zu Graphit als Anodenmaterial für herkömmliche Li-Ionen-Batterien zu sein, da es die Beschränkungen von Graphit als Anodenmaterial unter Gefrierbedingungen überwindet. Dieses neuartige Material kann in Li-Ionen-Batterien für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter Elektrofahrzeuge, Drohnen und ultrakleine elektronische Geräte, auch bei niedrigen Temperaturen.

Derzeit wird Graphit aufgrund seiner thermodynamischen Stabilität und seiner geringen Kosten als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Batterien mit Graphitanoden haben jedoch erhebliche Nachteile: Ihre Speicherkapazität nimmt bei Minustemperaturen stark ab, und während des Ladevorgangs können sich Dendriten auf der Anodenoberfläche bilden. Dies kann zu einem thermischen Durchgehen und potenziellen Explosionen führen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Jungjoon Yoo, Dr. Kanghoon Yim und Dr. Hyunuk Kim am KIER hat ein redoxaktives, leitfähiges metallorganisches Gerüst namens SKIER-5" entwickelt. Dieses Gerüst besteht aus einem organischen Liganden auf Trianthren-Basis und Nickel-Ionen. SKIER-5 wies eine Entladekapazität auf, die fünfmal höher war als die von Graphit in einer Umgebung unter Null Grad.

Die SKIER-5-Anode erreichte eine Entladekapazität von 440 mAh/g und übertraf damit die 375 mAh/g einer Graphitelektrode bei Raumtemperatur. Bemerkenswert ist, dass die Kapazität nach 1 600 Lade-/Entladezyklen um das 1,5-fache (600 mAh/g) anstieg. Dies ist ein außergewöhnliches Ergebnis, da die Entladekapazität bei wiederholten Lade-/Entladezyklen normalerweise abnimmt.

Das Forscherteam bestätigte den Redox-Mechanismus von SKIER-5 mit Hilfe von Hochfluss-Röntgenanalysen im Pohang Accelerator Laboratory. Im Gegensatz zu Graphit interagiert SKIER-5, das Nickelionen und organische Liganden auf Heteroatombasis (N, F, S) enthält, mit Li-Ionen, um Redoxreaktionen mit Elektronenübertragung auszulösen. Dieser Prozess ermöglicht eine erhöhte Elektronenspeicherung, was zu einer höheren Entladekapazität führt.

SKIER-5 erreichte eine Entladungskapazität von 150 mAh/g, was fünfmal höher ist als die von Graphit bei minus 20 Grad Celsius. Diese verbesserte Leistung wird darauf zurückgeführt, dass SKIER-5 im Vergleich zu Graphit eine niedrigere Mindestenergieschwelle für die Auslösung chemischer Reaktionen aufweist. Folglich bleibt die Leistung von SKIER-5 in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, in denen die Reaktionsgeschwindigkeit normalerweise abnimmt, stabil.
^{*Aktivierungsenergie (eV): Die zur Auslösung einer chemischen Reaktion erforderliche Mindestenergie [SKIER-5 (0,23 eV) < Graphit (0,6 eV)].}

Das Funktionsprinzip von SKIER-5 wurde durch quantenchemische Berechnungen nach den ersten Prinzipien validiert. Das Forschungsteam bestimmte zunächst die kristalline Struktur von SKIER-5, die mit der Röntgenstrukturanalyse übereinstimmte, und sagte die Lithium-Adsorptionsstellen voraus, um die theoretische Kapazität und die Reaktionsspannung des Materials durch Berechnungen vorherzusagen. Die vorhergesagten Werte stimmten gut mit den experimentellen Ergebnissen überein und bestätigten die hervorragende Leistung von SKIER-5 als Li-Batterieanode.

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Originalveröffentlichung

Yogendra Kumar, Tae Hyeong Kim, Iyan Subiyanto, Winda Devina, Segi Byun, Subhajit Nandy, Keun Hwa Chae, Suim Lim, Bumjin Kim, Sanghui Kang, Seong Ok Han, Kanghoon Yim, Jungjoon Yoo, Hyunuk Kim; "Redox-active conductive metal–organic framework with high lithium capacities at low temperatures"; Journal of Materials Chemistry A, 2024

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