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Nanoketten könnten die Batteriekapazität erhöhen und die Ladezeit verkürzen

23.09.2019

Purdue University illustration/Henry Hamann

Künstlerische Darstellung einer Knopfzelle mit einer Kupferelektrode (links), die eine schwarze Nanochain-Struktur enthält, die Forscher entdeckt haben und die die Kapazität einer Batterie erhöhen und die Ladezeit verkürzen könnte.

Die Lebensdauer der Batterie Ihres Telefons oder Computers hängt davon ab, wie viele Lithiumionen im negativen Elektrodenmaterial der Batterie gespeichert werden können. Wenn der Akku keine dieser Ionen mehr enthält, kann er keinen elektrischen Strom zum Betreiben eines Geräts erzeugen und fällt schließlich aus.

Materialien mit einer höheren Lithium-Ionen-Speicherkapazität sind entweder zu schwer oder in der falschen Form, um Graphit, das derzeit in den heutigen Batterien verwendete Elektrodenmaterial, zu ersetzen.

Wissenschaftler und Ingenieure der Purdue University haben eine potentielle Methode eingeführt, diese Materialien in ein neues Elektrodendesign umzuwandeln, das es ihnen ermöglichen würde, die Lebensdauer einer Batterie zu erhöhen, sie stabiler zu machen und ihre Ladezeit zu verkürzen.

Die Studie, die als Titelbild der September-Ausgabe von Applied Nano Materials erscheint, schuf eine netzartige Struktur, die als "Nanochain" bezeichnet wird, aus Antimon, einem Metalloid, das bekanntermaßen die Lithium-Ionen-Ladekapazität von Batterien erhöht.

Die Forscher verglichen die Nanochain-Elektroden mit Graphitelektroden und fanden heraus, dass, wenn Knopfzelle mit der Nanochain-Elektrode nur 30 Minuten lang geladen wurden, sie die doppelte Lithium-Ionen-Kapazität für 100 Lade- und Entladezyklen erreichten.

Einige Arten von kommerziellen Batterien verwenden bereits Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffe, die den negativen Antimon-Metallelektroden ähneln, aber das Material neigt dazu, sich bei der Aufnahme von Lithiumionen bis zu dreimal zu dehnen, was dazu führt, dass es zu einem Sicherheitsrisiko wird, wenn sich die Batterie auflädt.

"Sie wollen diese Art von Erweiterung in Ihren Smartphone-Batterien unterbringen. Auf diese Weise tragen Sie nicht etwas Unsicheres mit sich herum", sagte Vilas Pol, ein Purdue Associate Professor für Chemieingenieurwesen.

Durch die Anwendung chemischer Verbindungen - eines Reduktionsmittels und eines Keimbildners - verbanden Purdue Wissenschaftler die winzigen Antimonpartikel zu einer Nanokettenform, die der erforderlichen Expansion gerecht wird. Das von dem Team verwendete Reduktionsmittel Ammoniak-Boran ist verantwortlich für die Schaffung der Hohlräume - die Poren innerhalb der Nanokette -, die eine Ausdehnung ermöglichen und den Elektrodenversagen unterdrücken.

Das Team wandte Ammoniak-Boran auf mehrere verschiedene Antimonverbindungen an und stellte fest, dass nur Antimonchlorid die Nanokettenstruktur produzierte.

"Unser Verfahren zur Herstellung der Nanopartikel liefert konsequent die Kettenstrukturen", sagt P. V. Ramachandran, Professor für organische Chemie bei Purdue.

Die Nanokette hält die Lithium-Ionen-Kapazität auch für mindestens 100 Lade- und Entladezyklen stabil. "Es gibt im Wesentlichen keine Änderung von Zyklus 1 zu Zyklus 100, also haben wir keinen Grund zu der Annahme, dass Zyklus 102 nicht derselbe sein wird", sagte Pol.

Henry Hamann, ein Chemie-Absolvent an der Purdue University, synthetisierte die Antimon-Nanochain-Struktur und Jassiel Rodriguez, ein Postdoc der Purdue Chemical Engineering, testete die elektrochemische Batterieleistung.

Das Elektrodendesign hat das Potenzial, für größere Batterien skalierbar zu sein, sagen die Forscher. Das Team plant, das Design als nächstes in Taschenzellenbatterien zu testen.

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