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Hochleistungs-Natrium-Ionen-Batterien unter Verwendung von Kupfersulfid

17.07.2019

KAIST

Dies ist ein schematisches Modell, das Korngrenzen und Phasenschnittstellenformationen veranschaulicht.

Die Forscher präsentierten eine neue Strategie zur Erweiterung der Ladezyklen von Natrium-Ionen-Batterien mit Kupfersulfid als Elektrodenmaterial. Diese Strategie hat zu leistungsstarken Umwandlungsreaktionen geführt und soll die Kommerzialisierung von Natrium-Ionen-Batterien vorantreiben, wenn sie als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien auftauchen.

Das Team von Professor Jong Min Yuk bestätigte den stabilen Natriumspeichermechanismus mit Kupfersulfid, einem überlegenen Elektrodenmaterial, das pulverisationstolerant ist und eine Kapazitätsrückgewinnung induziert. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Natriumionenbatterien beim Einsatz von Kupfersulfid eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren mit einer Ladung pro Tag haben. Noch besser ist, dass Kupfersulfid, das aus reichlich natürlichen Materialien wie Kupfer und Schwefel besteht, eine bessere Kostenwettbewerbsfähigkeit hat als Lithium-Ionen-Batterien, die Lithium und Kobalt verwenden.

Interkalationsmaterialien wie Graphit, die als kommerzialisierte Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien dienen, waren aufgrund ihres unzureichenden Zwischenlagenabstands für die Natriumspeicherung mit hoher Kapazität nicht geeignet. So wurden Materialien vom Typ Umwandlungs- und Legierungsreaktionen untersucht, um eine höhere Kapazität im Anodenteil zu erreichen. Diese Materialien führen jedoch in der Regel zu großen Volumenausdehnungen und abrupten kristallographischen Veränderungen, die zu einem starken Kapazitätsabbau führen.

Das Team bestätigte, dass semikohärente Phasenschnittstellen und Korngrenzen in Umwandlungsreaktionen eine Schlüsselrolle bei der Ermöglichung pulverisierungstoleranter Umwandlungsreaktionen bzw. der Kapazitätsrückgewinnung spielen.

Die meisten Batteriematerialien vom Typ Konvertierungs- und Legierungsreaktionen weisen in der Regel starke Kapazitätsabbauerscheinungen auf, da sie völlig unterschiedliche Kristallstrukturen und eine große Volumenausdehnung vor und nach den Reaktionen aufweisen. Allerdings haben Kupfersulfide einen allmählichen kristallographischen Wandel durchlaufen, um die semikohärenten Grenzflächen zu bilden, was schließlich die Pulverisierung von Partikeln verhinderte. Basierend auf diesem einzigartigen Mechanismus bestätigte das Team, dass Kupfersulfid unabhängig von seiner Größe und Morphologie eine hohe Kapazität und hohe Zyklenfestigkeit aufweist.

Professor Yuk sagte: "Natrium-Ionen-Batterien, die Kupfersulfid verwenden, können Natrium-Ionen-Batterien voranbringen, was zur Entwicklung kostengünstiger Energiespeichersysteme beitragen und das Problem der Mikrostaubbildung lösen könnte".

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