23.06.2020 - National Research Council of Science & Technology (NST)

Lithium-Verlust bei hochkapazitiven Lithium-Ionen-Batterien vermeiden

Neuartige Vorbehandlungsstrategie löst ein seit langem bestehendes Problem der Siliziumanodenmaterialien und erhöht die Energiedichte

Ein Team koreanischer Forscher hat eine Verarbeitungstechnologie zur Maximierung der Energiedichten von Batterien mit hoher Kapazität entwickelt. Das gemeinsame Forschungsteam, das aus Dr. Lee, Minah vom Center for Energy Storage Research und Dr. Hong, Jihyun vom Center for Energy Materials Research, beide vom Clean Energy Institute, Korea Institute of Science and Technology (KIST), besteht, kündigte die Entwicklung einer Technologie an, die eine einfache Lösung für ein hartnäckiges Problem im Zusammenhang mit Anoden(-)materialien auf Siliziumbasis bietet.

In letzter Zeit haben Anodenmaterialien auf Siliziumbasis, die in Lithium-Ionen-Batterien viermal mehr Lithium-Ionen speichern können als Anodenmaterialien auf Graphitbasis, aufgrund ihres Potenzials, die Laufleistung von Elektrofahrzeugen zu verbessern, zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Aber wenn eine Batterie mit einer Anode auf Siliziumbasis im Anfangszyklus aufgeladen wird, verliert sie mehr als 20% der Lithium-Ionen, die sie zur Stromspeicherung verwendet, was zu einem Problem der reduzierten Batteriekapazität führt. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Methode der "Lithium-Vorladung" oder "Vor-Lithiation" untersucht, bei der vor der Batteriemontage zusätzliches Lithium hinzugefügt wird, um den Lithiumverlust während des Batteriezyklus auszugleichen. Bisher angewandte Methoden wie die Verwendung von Lithiumpulver haben die Nachteile hinsichtlich eines Sicherheitsrisikos und hoher Kosten.

Dr. Lee und Dr. Hong vom KIST haben eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, Lithiumionen mit einer lithiumhaltigen Lösung anstelle des Lithiumpulvers vorzuladen, um den Lithiumverlust in einer Anode auf Siliziumbasis zu verhindern. Das Eintauchen einer Elektrode in die massgeschneiderte Lösung für nur fünf Minuten reicht aus, um eine erfolgreiche Lithium-Vorladung zu erreichen, bei der Elektronen und Lithium-Ionen durch eine spontane chemische Reaktion in die siliziumbasierte Anode eingebracht werden. Was diesen einfachen Prozess möglich machte, war, dass im Gegensatz zur herkömmlichen Methode, Lithiumpulver einer Elektrode zuzusetzen, die eine heterogene Lithiumverteilung bewirkt, die massgeschneiderte Vorbeladungslösung schnell in eine Elektrode sickert und eine homogene Abgabe von Lithium in Siliziumoxid gewährleistet.

Die vom Forschungsteam entwickelte vorlithierte Anode auf Siliziumbasis verliert bei der ersten Ladung weniger als 1% des aktiven Lithiums, was zu einer hohen Anfangsbatterie-Effizienz von 99% oder mehr führt. Eine Batterie, die mit der vorlithisierten Anode hergestellt wurde, wies eine um 25% höhere Energiedichte auf als eine vergleichbare Batterie mit einer auf dem Markt erhältlichen Graphitanode.

Dr. Lee, der die Forschungsarbeiten leitete, kommentierte: "Durch die Einbeziehung einer rechnergestützten materialwissenschaftlichen Technik in den Entwurf einer optimalen Molekularstruktur konnten wir die Effizienz einer Hochleistungsanode auf Siliziumbasis durch die einfache Methode der einfachen Kontrolle von Lösungstemperatur und Reaktionszeit sprunghaft verbessern. Da diese Technologie leicht auf das Rolle-zu-Rolle-Verfahren anwendbar ist, das in bestehenden Batterieherstellungsanlagen verwendet wird, hat unsere Methode das Potenzial, einen Durchbruch bei der Implementierung von Anoden auf Siliziumbasis für praktische Batterien zu erzielen". Der mitleitende Forscher Dr. Hong sagte: "Diese gemeinsame Arbeit konnte realisiert werden, weil das KIST die gemeinsame Forschung von Mitgliedern aus verschiedenen Forschungsteams fördert. Er fügte hinzu: "Mit dieser Vorlithationstechnologie kann die Fahrleistung von Elektrofahrzeugen um durchschnittlich mindestens 100 km erhöht werden".

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