04.09.2020 - University of Texas at Austin

Jahrzehnte altes Rätsel der Lithium-Ionen-Batterien-Speicherung gelöst

Barriere für den Bau ultraschneller Energiespeichersysteme niedergerissen

Seit Jahren bemühen sich die Forscher, mehr über eine Gruppe von Metalloxiden zu erfahren, die aufgrund ihrer mysteriösen Fähigkeit, deutlich mehr Energie zu speichern als möglich sein sollte, als Schlüsselmaterialien für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien vielversprechend sind. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der University of Texas in Austin hat den Code dieser wissenschaftlichen Anomalie geknackt und damit eine Barriere für den Bau ultraschneller Energiespeichersysteme für Batterien niedergerissen.

Das Team fand heraus, dass diese Metalloxide einzigartige Möglichkeiten besitzen, Energie jenseits der klassischen elektrochemischen Speichermechanismen zu speichern. Die in Nature Materials veröffentlichte Forschung fand mehrere Arten von Metallverbindungen mit einer bis zu dreimal höheren Energiespeicherfähigkeit im Vergleich zu Materialien, die in den heute kommerziell erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien üblich sind.

Indem sie dieses Rätsel entschlüsseln, helfen die Forscher, Batterien mit größerer Energiekapazität zu entschlüsseln. Das könnte kleinere, leistungsfähigere Batterien bedeuten, die in der Lage sind, schnell Ladungen für alles von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen zu liefern.

"Seit fast zwei Jahrzehnten ist die Forschungsgemeinschaft über die anomal hohen Kapazitäten dieser Materialien jenseits ihrer theoretischen Grenzen ratlos", sagte Guihua Yu, ein außerordentlicher Professor in der Walker-Abteilung für Maschinenbau an der Cockrell School of Engineering und einer der Leiter des Projekts. "Diese Arbeit zeigt den allerersten experimentellen Nachweis, dass die zusätzliche Ladung physikalisch innerhalb dieser Materialien über einen Speichermechanismus für Raumladungen gespeichert wird.

Um dieses Phänomen zu demonstrieren, fand das Team einen Weg, um zu beobachten und zu messen, wie sich die Elemente im Laufe der Zeit verändern. Forscher von UT, dem Massachusetts Institute of Technology, der Universität von Waterloo in Kanada, der Shandong University of China, der Universität Qingdao in China und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften nahmen an dem Projekt teil.

Im Zentrum der Entdeckung stehen Übergangsmetalloxide, d.h. Verbindungen, die Sauerstoff enthalten, der an Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel und Zink gebunden ist. In den Metalloxiden kann Energie gespeichert werden - im Gegensatz zu den typischen Methoden, bei denen Lithiumionen in diese Materialien ein- und aus ihnen herauswandern oder ihre Kristallstrukturen zur Energiespeicherung umwandeln. Und die Forscher zeigen, dass zusätzliche Ladungskapazität auch an der Oberfläche von Eisen-Nanopartikeln gespeichert werden kann, die während einer Reihe herkömmlicher elektrochemischer Prozesse gebildet werden.

Den Forschungsergebnissen zufolge kann eine breite Palette von Übergangsmetallen diese zusätzliche Kapazität freisetzen, und sie haben einen gemeinsamen Nenner: die Fähigkeit, eine hohe Elektronendichte zu sammeln. Diese Materialien sind noch nicht reif für die Hauptzeit, sagte Yu, vor allem wegen des mangelnden Wissens über sie. Aber die Forscher sagten, dass diese neuen Erkenntnisse viel Licht in das Potenzial dieser Materialien bringen dürften.

Die in dieser Studie verwendete Schlüsseltechnik, die als In-situ-Magnetometrie bezeichnet wird, ist eine magnetische Echtzeit-Überwachungsmethode zur Untersuchung der Entwicklung der internen elektronischen Struktur eines Materials. Sie ist in der Lage, die Ladungskapazität zu quantifizieren, indem Schwankungen des Magnetismus gemessen werden. Diese Technik kann zur Untersuchung der Ladungsspeicherung in einem sehr kleinen Maßstab verwendet werden, der die Möglichkeiten vieler konventioneller Charakterisierungswerkzeuge übersteigt.

"Die bedeutendsten Ergebnisse wurden mit einer Technik erzielt, die von Physikern allgemein, aber sehr selten in der Batterie-Gemeinschaft verwendet wird", sagte Yu. "Dies ist ein perfektes Beispiel für eine wunderbare Verbindung von Physik und Elektrochemie", sagte Yu.

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