Schnelleres Aufladen, längere Lebensdauer

POSTECH und KIER erzielen Durchbruch bei der nächsten Generation von Batterien

23.04.2025

Da die Nachfrage nach Batterien, die ultraschnell geladen werden können und eine hohe Energiedichte aufweisen, in verschiedenen Sektoren - von Elektrofahrzeugen bis hin zu großen Energiespeichersystemen (ESS) - weiter steigt, hat ein gemeinsames Forschungsteam von POSTECH (Pohang University of Science and Technology) und dem Korea Institute of Energy Research (KIER) ein vielversprechendes Anodenmaterial der nächsten Generation entwickelt, das diese kritischen Anforderungen erfüllen könnte.

Graphit, das gebräuchlichste Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), bietet zwar eine robuste strukturelle Stabilität, ist aber durch seine geringe theoretische Kapazität und seine langsamen Lade-/Entladeraten eingeschränkt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben die Forscher ein neuartiges Elektrodendesign vorgeschlagen, das harten Kohlenstoff mit Zinn (Sn) kombiniert.

Hartkohlenstoff ist ein ungeordnetes Kohlenstoffmaterial mit einer Fülle von Mikroporen und Pfaden, die eine schnelle Diffusion von Lithium- und Natriumionen ermöglichen. Diese Struktur ermöglicht sowohl eine hohe Energiespeicherung als auch mechanische Robustheit und ist damit ideal für Anwendungen mit hoher Rate und langer Lebensdauer.

Verbesserung von Natriumionenbatterien mit mechanisch robustem nanozellulärem Graphen

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Die Einbindung von Zinn stellte jedoch eine weitere Herausforderung dar. Je kleiner die Zinnpartikel sind, desto wirksamer wird die problematische Volumenausdehnung während der Zyklen reduziert, was die Gesamtstabilität erhöht. Leider erschwert der niedrige Schmelzpunkt von Zinn (∼230 °C) die Synthese solch feiner Partikel. Das Forscherteam hat dieses Problem mit einem Sol-Gel-Verfahren und anschließender thermischer Reduktion gelöst und dabei erfolgreich gleichmäßig verteilte Zinn-Nanopartikel von weniger als 10 nm in die harte Kohlenstoffmatrix eingebettet.

Die resultierende Verbundstruktur weist funktionelle Synergien auf, die über eine einfache physikalische Mischung hinausgehen. Die Zinn-Nanopartikel wirken nicht nur als aktive Materialien, sondern dienen auch als Katalysatoren, die die Kristallisation des umgebenden harten Kohlenstoffs fördern. Während des elektrochemischen Zyklus trägt die reversible Bildung von Sn-O-Bindungen dazu bei, die Batteriekapazität durch Umwandlungsreaktionen zu erhöhen.

Die entwickelte Elektrode hat eine hervorragende Leistung in Lithium-Ionen-Zellen gezeigt, indem sie über 1.500 Zyklen unter 20-minütigen Schnellladebedingungen stabil funktionierte und dabei eine 1,5-fach höhere volumetrische Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Graphitanoden erreichte. Damit ist es gelungen, hohe Leistung, hohe Energie und lange Zyklenlebensdauer in einer Elektrode zu vereinen.

Bemerkenswerterweise zeigt die Elektrode auch eine hervorragende Leistung in Natrium-Ionen-Batterien (SIBs). Natriumionen zeigen im Allgemeinen eine schlechte Reaktivität mit herkömmlichen Anodenmaterialien wie Graphit oder Silizium. Die harte Kohlenstoff-Zinn-Nanokompositstruktur weist jedoch eine ausgezeichnete Stabilität und eine schnelle Kinetik in Natriumumgebungen auf, was ihre Vielseitigkeit in verschiedenen Batterieplattformen unterstreicht.

Professor Soojin Park von POSTECH erklärte: "Diese Forschung stellt einen neuen Meilenstein in der Entwicklung von Hochleistungsbatterien der nächsten Generation dar und ist vielversprechend für Anwendungen in Elektrofahrzeugen, Hybridsystemen und ESS im Netzmaßstab." Dr. Gyujin Song von KIER fügte hinzu: "Die Realisierung einer Anode mit gleichzeitig hoher Leistung, Stabilität und Energiedichte sowie ihrer Kompatibilität mit Natrium-Ionen-Systemen markiert einen Wendepunkt auf dem Markt für wiederaufladbare Batterien."

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Originalveröffentlichung

Sungho Choi, Dong-Yeob Han, Taesoo Bok, Chihyun Hwang, Myung-Jun Kwak, Joon-Hyuk Yim, Gyujin Song, Soojin Park; "Catalytic Tin Nanodots in Hard Carbon Structures for Enhanced Volumetric and Power Density Batteries"; ACS Nano, Volume 19, 2025-3-5

https://www.chemie.de/news/1186085/schnelleres-aufladen-laengere-lebensdauer.html