27.10.2020 - POSTECH - Pohang University of Science and Technology

Aufladen von Elektroautos bis zu 90% in 6 Minuten

Forscherteam deckt neues Li-Ionen-Batterie-Elektrodenmaterial auf, das eine hohe Energiedichte und hohe Leistungsfähigkeit pro Volumen erreichen kann, ohne die Partikelgröße zu verringern

Mit Telsa an der Spitze wächst der Markt für Elektrofahrzeuge auf der ganzen Welt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotoren werden Elektroautos ausschließlich mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, so dass die Batterieleistung die Gesamtleistung des Autos bestimmt. Langsame Ladezeiten und schwache Leistung sind jedoch noch immer Hindernisse, die es zu überwinden gilt. Vor diesem Hintergrund hat ein POSTECH-Forschungsteam kürzlich ein schneller aufladbares und langlebigeres Batteriematerial für Elektroautos entwickelt.

Die Forscherteams von Professor Byoungwoo Kang und Dr. Minkyung Kim vom Fachbereich Materialwissenschaften und Ingenieurwesen bei POSTECH und Professor Won-Sub Yoon vom Fachbereich Energiewissenschaften an der Sungkyunkwan Universität haben zum ersten Mal gemeinsam bewiesen, dass beim Laden und Entladen von Li-Ionen-Batterie-Elektrodenmaterialien hohe Leistung durch eine deutliche Verkürzung der Lade- und Entladezeit ohne Verringerung der Partikelgröße erzeugt werden kann. Diese Forschungsergebnisse wurden in der jüngsten Ausgabe von Energy & Environmental Science, einer führenden internationalen Zeitschrift auf dem Gebiet der Energiematerialien, veröffentlicht.

Für das schnelle Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien wurden bisher Methoden verwendet, die die Partikelgröße der Elektrodenmaterialien reduzieren. Die Verringerung der Partikelgröße hat jedoch den Nachteil, dass die volumetrische Energiedichte der Batterien verringert wird.

Dazu bestätigte das Forscherteam, dass bei Bildung einer Zwischenphase im Phasenübergang während des Ladens und Entladens hohe Leistung erzeugt werden kann, ohne dass die hohe Energiedichte verloren geht oder die Partikelgröße durch schnelles Laden und Entladen verringert wird, was die Entwicklung langlebiger Li-Ionen-Batterien ermöglicht.

Im Falle von Phasentrennungsmaterialien, die während des Ladens und Entladens den Prozess der Bildung und des Wachstums neuer Phasen durchlaufen, existieren zwei Phasen mit unterschiedlichen Volumina innerhalb eines einzigen Partikels, was zu vielen strukturellen Defekten an der Grenzfläche der beiden Phasen führt. Diese Defekte hemmen das schnelle Wachstum einer neuen Phase innerhalb des Partikels und behindern somit ein schnelles Laden und Entladen.

Mit der vom Forschungsteam entwickelten Synthesemethode kann man eine Zwischenphase induzieren, die als struktureller Puffer wirkt und die Volumenänderung zwischen den beiden Phasen in einem Partikel drastisch reduzieren kann.

Darüber hinaus wurde bestätigt, dass diese puffernde Zwischenphase dazu beitragen kann, eine neue Phase innerhalb des Partikels zu erzeugen und wachsen zu lassen, wodurch die Geschwindigkeit des Einsetzens und Entfernens von Lithium im Partikel verbessert wird. Dies wiederum bewies, dass die Bildung der Zwischenphase die Lade- und Entladegeschwindigkeit der Zelle dramatisch erhöhen kann, indem sie eine homogene elektrochemische Reaktion in der Elektrode erzeugt, aus der zahlreiche Partikel bestehen. Infolgedessen laden die vom Forschungsteam synthetisierten Li-Ionen-Batterieelektroden in sechs Minuten bis zu 90% auf und entladen 54% in 18 Sekunden, ein vielversprechendes Zeichen für die Entwicklung von Hochleistungs-Li-Ionen-Batterien.

"Der konventionelle Ansatz war schon immer ein Kompromiss zwischen seiner niedrigen Energiedichte und der schnellen Lade- und Entladegeschwindigkeit aufgrund der Verringerung der Partikelgröße", bemerkte Professor Byoungwoo Kang, der entsprechende Autor der Arbeit. Er führte weiter aus: "Diese Forschung hat den Grundstein für die Entwicklung von Li-Ionen-Batterien gelegt, die eine schnelle Lade- und Entladegeschwindigkeit, eine hohe Energiedichte und eine verlängerte Leistung erreichen können.

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