13.11.2020 - American Institute of Physics (AIP)

Verbesserung von Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien mit Kohlenstoff-Füllstoff

Leitfähige Kohlenstoff-Füllstoffe in Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen hohe Leistungsabgabe bei reversibler Energiespeicherung

Lithium-Ionen-Batterien sind die wichtigste wiederaufladbare Energiequelle für viele tragbare Geräte sowie für Elektrofahrzeuge, aber ihr Einsatz ist begrenzt, da sie keine hohe Ausgangsleistung bieten und gleichzeitig eine reversible Energiespeicherung ermöglichen. Die in Applied Physics Reviews von AIP Publishing berichtete Forschung zielt darauf ab, eine Lösung anzubieten, indem sie zeigt, wie die Einbeziehung von leitfähigen Füllstoffen die Batterieleistung verbessert.

Das optimale Batteriedesign beinhaltet dicke Elektrodenstrukturen. Dadurch wird die Energiedichte erhöht, aber das Design leidet unter einem schlechten Lithium-Ionen-Transport, einem Schlüsselschritt in der Funktionsweise dieser Elektroden. Es wurden verschiedene Verbesserungstechniken ausprobiert, einschließlich des Aufbaus vertikal ausgerichteter Kanäle oder der Schaffung von Poren der richtigen Größe, um den Transport der Lithium-Ionen zu erleichtern.

Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Füllstoffen aus Kohlenstoff, die Elektrizität leiten. In dieser Studie wurden drei Arten von Füllstoffen betrachtet: einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (single-walled carbon nanotubes, SWCNT), Graphen-Nanoblätter und eine Substanz namens Super P, eine Art von Rußpartikeln, die bei der Oxidation von Erdölvorläufern entstehen. Super P ist der am häufigsten verwendete leitfähige Füllstoff in Lithium-Ionen-Batterien.

Die Füllstoffe wurden einer Art von Elektrodenmaterial, bekannt als NCM, das Nickel, Kobalt und Mangan enthält, hinzugefügt. Die Untersucher untersuchten die resultierenden Verbundwerkstoffe mit Rasterelektronenmikroskopie. Es stellte sich heraus, dass die Super-P- und NCM-Teilchen in einem Punkt-zu-Punkt-Kontakt-Modus angeordnet waren.

Die SWCNTs waren jedoch um die NCM-Partikel gewickelt und bildeten eine leitende Schicht. Darüber hinaus wurden in den Zwischenräumen zwischen den NCM-Partikeln Netzwerke von miteinander verbundenen SWCNTs beobachtet. Die Graphen-Nanoblätter waren ebenfalls um die NCM-Elektrodenpartikel gewickelt, jedoch nicht so gleichmäßig wie die SWCNTs.

Die SWCNTs erwiesen sich als der beste leitende Füllstoff für NCM-Elektroden.

"Die gemessene Leitfähigkeit stimmt mit der Perkolationstheorie überein ... Wenn ein elektrisch leitfähiger Füllstoff zu einer isolierenden Matrix hinzugefügt wird, kommt es zu signifikanten Erhöhungen der Leitfähigkeit, sobald der erste leitfähige Pfad durch das Komposit gebildet wird", sagte Guihua Yu, einer der Autoren.

Da die Perkolation einen vollständigen Pfad durch den Füllstoff erfordert, ist eine ausreichende Menge an leitfähigem Füllstoff erforderlich. Daher haben die Forscher verschiedene Mengen an Füllstoff in Betracht gezogen und festgestellt, dass die Kombination von NCM-Elektroden mit nur 0,16 Gewichtsprozent SWCNT eine gute elektrische Leitfähigkeit ergibt. Um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, waren höhere Mengen an Super P und Graphen erforderlich.

Die Untersucher verwendeten mehrere spektroskopische Techniken, einschließlich Raman- und Röntgenabsorptionsspektroskopie, um die resultierenden Verbundwerkstoffe zu untersuchen.

"Dies ist eine gemeinsame Anstrengung des Zentrums für mesoskalige Transporteigenschaften, einem Energy Frontier Research Center, das durch das Programm des U.S. Department of Energy Basic Energy Sciences unterstützt wird. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Integration von SWCNTs in die NCM-Elektrode den Ionen- und Ladungstransfer erleichtert. Dies wird zu einer höheren elektrochemischen Ausnutzung führen, insbesondere bei hohen Entladungsraten", sagte Yu.

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