Schnelle und einfache Herstellung von Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien mit Hilfe von Mikrowellen

17.10.2024

Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Daeho Kim und Dr. Jong Hwan Park am Nano Hybrid Technology Research Center des Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) hat eine bahnbrechende Prozesstechnologie entwickelt, die eine ultraschnelle, 30 Sekunden dauernde Herstellung von Hartkohlenstoffanoden für Natrium-Ionen-Batterien mittels Mikrowellen-Induktionserwärmung ermöglicht.

Die Natrium-Ionen-Batterie, eine der Sekundärbatterien der nächsten Generation, verwendet Natrium (Na) anstelle des derzeitigen Hauptbestandteils Lithium (Li). Natrium, der Hauptbestandteil von Salz, kommt mehr als tausendmal häufiger vor als Lithium und ist leichter zu gewinnen und zu veredeln. Außerdem bedeutet seine geringere Reaktivität im Vergleich zu Lithium eine größere elektrochemische Stabilität bei der Verwendung für Batterien, wodurch es sich besser für schnelles Laden und Entladen eignet und seine Leistung auch bei niedrigen Temperaturen beibehält.

Trotz dieser Vorteile sind Natrium-Ionen-Batterien mit erheblichen Problemen konfrontiert, darunter eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien, was auf die Komplexität des Herstellungsprozesses zurückzuführen ist. Die größere Größe der Natriumionen im Vergleich zu Lithium erfordert die Verwendung von Hartkohlenstoff, der einen größeren Abstand zwischen den Schichten aufweist als Graphit, das derzeitige Hauptmaterial für Anoden.

Längere Lebensdauer von Natrium-Ionen-Batterien in Sicht

Fortschrittliches Natrium-Ionen-Batteriekonzept überwindet technische Hürden

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Hartkohlenstoff kommt in der Natur nicht vor und muss daher synthetisiert werden. Der Herstellungsprozess ist äußerst kompliziert und erfordert, dass Kohlenwasserstoffmaterialien - Hauptbestandteile von Pflanzen und Polymeren - in einer sauerstofffreien Umgebung über längere Zeit auf Temperaturen von über 1.000 °C erhitzt werden. Dieser "Karbonisierungsprozess" ist sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch belastend, was ein Haupthindernis für die Kommerzialisierung von Natrium-Ionen-Batterien war.

Unter den vielen Teams, die versuchen, dieses Problem zu lösen, schlug das Team um Dr. Kim und Dr. Park eine schnelle Erhitzungsmethode vor, bei der die Mikrowellentechnologie zum Einsatz kommt, die wir leicht in einem Mikrowellenherd in der Küche finden können. Sie stellten zunächst Filme her, indem sie Polymere mit einer kleinen Menge hochleitfähiger Kohlenstoffnanoröhrchen mischten. Dann legten sie ein Mikrowellenmagnetfeld an die Filme an, um Ströme in den Kohlenstoffnanoröhrchen zu induzieren und die Filme in nur 30 Sekunden selektiv auf über 1 400 °C zu erhitzen.

In jahrelanger Forschung hat KERI eine Technologie zur gleichmäßigen Wärmebehandlung von leitfähigen dünnen Schichten, wie z. B. Metallen, mit Hilfe von Mikrowellenmagnetfeldern entwickelt. Diese Technologie hat in industriellen Prozessen wie der Herstellung von Displays und Halbleitern große Aufmerksamkeit erregt. Das KERI-Forschungszentrum für Nanohybridtechnologie gilt als das landesweit führende Zentrum für die Technologie von Kohlenstoff-Nanomaterialien. Dr. Kim und Dr. Park nutzten die Fähigkeiten des Zentrums, um sich an Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien heranzuwagen, und erzielten vielversprechende Ergebnisse.

Der Schlüssel zu ihrem Erfolg liegt in der eigenen "Multiphysik-Simulationstechnik" des Teams. Sie ermöglichte ihnen ein tiefes Verständnis der komplexen Prozesse, die ablaufen, wenn ein elektromagnetisches Feld im Mikrowellenbereich auf Nanomaterialien einwirkt, und führte zur Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung von Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien. Die Bedeutung der Erkenntnisse des Teams wurde durch die jüngste Veröffentlichung ihrer Ergebnisse im Chemical Engineering Journal unterstrichen. Der Artikel wurde von Geongbeom Ryoo und Jiwon Shin, studentischen Forschern, die am KERI-Forschungsverbundprogramm teilgenommen haben, mitverfasst.

"Aufgrund der jüngsten Brände in Elektrofahrzeugen ist das Interesse an Natrium-Ionen-Batterien gestiegen, die sicherer sind und auch unter kälteren Bedingungen gut funktionieren. Das Karbonisierungsverfahren für Anoden war jedoch ein erheblicher Nachteil in Bezug auf Energieeffizienz und Kosten", sagte Dr. Jong Hwan Park. Dr. Daeho Kim fügte hinzu: "Unsere Mikrowellen-Induktionserwärmungstechnologie ermöglicht eine schnelle und einfache Herstellung von Hartkohle, was meiner Meinung nach zur Kommerzialisierung von Natrium-Ionen-Batterien beitragen wird."

Für die Zukunft plant das Team, die Leistung seiner Anodenmaterialien weiter zu verbessern und eine Technologie für die kontinuierliche Massenproduktion von großflächigen Hartkohlenstoffschichten zu entwickeln. Sie sehen auch das Potenzial ihrer Mikrowellen-Induktionserwärmungstechnologie für andere Bereiche, wie z. B. Festkörperbatterien, die eine Hochtemperatursinterung erfordern, was weitere Forschung rechtfertigt.

KERI, das bereits eine inländische Patentanmeldung abgeschlossen hat, erwartet, dass diese Technologie bei Unternehmen, die sich mit Energiespeichermaterialien beschäftigen, auf großes Interesse stoßen wird, und rechnet mit Technologietransfervereinbarungen mit potenziellen Industriepartnern.

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Originalveröffentlichung

Gyeongbeom Ryoo, Jiwon Shin, Byeong Guk Kim, Do Geun Lee, Joong Tark Han, Byeongho Park, Youngseok Oh, Seung Yol Jeong, Se-Hee Lee, Dong Yun Lee, Daeho Kim, Jong Hwan Park; "Sub-minute carbonization of polymer/carbon nanotube films by microwave induction heating for ultrafast preparation of hard carbon anodes for sodium-ion batteries"; Chemical Engineering Journal, Volume 496

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