Neue elektrokatalytische Strategie ermöglicht ultraschnelles Laden von Lithium-Ionen-Batterien

26.09.2024

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Ein Team unter der Leitung von Prof. JI Hengxing und Prof. WU Xiaojun von der University of Science and Technology of China (USTC) hat in Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. DUAN Xiangfeng von der University of California, Los Angeles, eine neuartige Strategie für die Festkörperelektrokatalyse in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) entwickelt, die über das Paradigma hinausgeht, das die Elektrokatalyse auf die Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Festkörper sowie zwischen Gas und Festkörper beschränkt. Ihre Studie wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

In LIBs werden Anodenmaterialien, die Legierungsreaktionen zur Speicherung von Li-Ionen nutzen, wie z. B. Silizium und Phosphor, aufgrund ihrer hohen spezifischen Kapazität im Vergleich zu herkömmlichen Graphitanoden häufig verwendet. Allerdings schränkt die träge Lithiierungskinetik dieser Anodenmaterialien die Schnellladeleistung von LIBs ein. Außerdem befinden sich während der Lithiumlegierungsreaktion der Anodenmaterialien die Reaktanten und Produkte in fester Phase, so dass die für die herkömmliche Elektrokatalyse erforderliche Zweiphasengrenzfläche fehlt. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Erforschung der Elektrokatalyse in Festkörperreaktionen.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, setzte das Team Heteroatomdotierungen ein, insbesondere Bor für Silizium und Schwefel für Phosphor, um Li-legierende Reaktionen in Festkörperelektrodenmaterial zu beschleunigen. Theoretische Berechnungen und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ergaben, dass eine kritische Heteroatom-Dotierungskonzentration (1~5 Atom-%) hochaktive Stellen für die Legierungsreaktionen von Anodenmaterialien bereitstellen kann, die das Aufbrechen chemischer Bindungen von Natur aus fördern. Diese Bindungsspaltung an dotierten Stellen bewirkt, dass sich die Anodenmaterialien kontinuierlich in kleinere Einheitszellen aufspalten, wodurch mehr reaktive Stellen entstehen und die Reaktionsdynamik erhöht wird.

Das Team wandte diese Strategie erfolgreich an, um eine ultraschnell aufladbare Batterie zu entwickeln, die aus einer mit Schwefel dotierten schwarzen Phosphor (S/bP)-Anode und einer Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)-Kathode besteht. Die Batterie zeigte eine beeindruckende Leistung, indem sie 80 % ihrer Energie in 9 Minuten mit einer Energiedichte von 302 Wh ^kg-1 auflud und damit die bisher bekannten LIBs übertraf. Außerdem blieb diese ultraschnelle Ladeleistung über mehr als 300 Zyklen stabil.

Diese Forschung ermöglicht die Elektrokatalyse in Festkörperreaktionen, was einen entscheidenden Schritt in Richtung einer hochenergetischen und schnell aufladbaren Batterietechnologie bedeutet und ein großes Potenzial für industrielle Anwendungen darstellt.

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Originalveröffentlichung

En Zhou, Hongchang Jin, Haifeng Lv, Yuansen Xie, Yuhao Lu, Ying-Rui Lu, Ting-Shan Chan, Chao Wang, Wensheng Yan, Jing Zhang, Hengxing Ji, Xiaojun Wu, Xiangfeng Duan; "Solid-State Electrocatalysis in Heteroatom-Doped Alloy Anode Enables Ultrafast Charge Lithium-Ion Batteries"; Journal of the American Chemical Society, Volume 146, 2024-7-17

https://www.chemie.de/news/1184522/neue-elektrokatalytische-strategie-ermoeglicht-ultraschnelles-laden-von-lithium-ionen-batterien.html