09.03.2021 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Gebaut für die Ewigkeit: Neuer Copolymer-Binder zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Wissenschaftler entwickeln ein neuartiges Bindermaterial, das die Graphitanode von Li-Ionen-Batterien auch nach 1700 Zyklen vor Degradation schützt

Jeder, der schon länger als ein Jahr ein Smartphone besitzt, weiß wahrscheinlich, dass der eingebaute Lithium (Li)-Ionen-Akku nicht mehr so viel Ladung hält wie im Neuzustand des Geräts. Die Degradation von Li-Ionen-Akkus ist ein ernsthaftes Problem, das die Nutzungsdauer tragbarer elektronischer Geräte stark einschränkt und indirekt große Mengen an Umweltverschmutzung und wirtschaftlichen Verlusten verursacht. Darüber hinaus ist die Tatsache, dass Li-Ionen-Batterien nicht sehr langlebig sind, ein massives Hindernis für den Markt für Elektrofahrzeuge und die Gewinnung erneuerbarer Energien. In Anbetracht der Schwere dieser Probleme ist es nicht verwunderlich, dass Forscher aktiv nach Wegen suchen, um den Stand der Technik bei Li-Ionen-Batterien zu verbessern.

Eine der Hauptursachen für den Kapazitätsabfall bei Li-Ionen-Batterien ist die Degradation der weit verbreiteten Graphitanoden - den negativen Anschlüssen in Batterien. Die Anode bildet zusammen mit der Kathode (oder dem positiven Pol) und dem Elektrolyt (oder dem Medium, das die Ladung zwischen zwei Polen transportiert) eine Umgebung, in der die elektrochemischen Reaktionen zum Laden und Entladen der Batterie stattfinden können. Allerdings benötigt Graphit ein Bindemittel, um zu verhindern, dass es bei der Benutzung auseinanderfällt. Das heute am häufigsten verwendete Bindemittel, Poly(vinylidenfluorid) (PVDF), hat eine Reihe von Nachteilen, die es bei weitem nicht zu einem idealen Material machen.

Um diese Probleme in den Griff zu bekommen, untersucht ein Forscherteam des Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) eine neue Art von Bindemittel, das aus einem Bis-Imino-Acenaphthenchinon-Paraphenylen (BP)-Copolymer besteht. Ihre jüngste Studie, die in ACS Applied Energy Materials veröffentlicht wurde, wurde von Professor Noriyoshi Matsumi geleitet und umfasste auch Professor Tatsuo Kaneko, Senior Lecturer Rajashekar Badam, Doktorand Agman Gupta und den ehemaligen Postdoktoranden Aniruddha Nag.

Inwiefern übertrifft das BP-Copolymer also das herkömmliche PVDF-Bindemittel für Graphitanoden? Zunächst einmal bietet das BP-Bindemittel eine deutlich bessere mechanische Stabilität und Haftung an der Anode. Dies liegt zum einen an den sogenannten π-π-Wechselwirkungen zwischen den Bis-Imino-Acenaphthenchinon-Gruppen und dem Graphit, zum anderen an der guten Haftung der Liganden des Copolymers am Kupferstromabnehmer der Batterie. Zweitens ist das BP-Copolymer nicht nur viel leitfähiger als PVDF, sondern es bildet auch eine dünnere leitfähige Festelektrolyt-Grenzfläche mit geringerem Widerstand. Drittens reagiert das BP-Copolymer nicht so leicht mit dem Elektrolyten, was auch seine Degradation weitgehend verhindert.

All diese Vorteile zusammengenommen führten zu einigen gravierenden Leistungsverbesserungen, wie die Forscher durch experimentelle Messungen nachwiesen. "Während eine Halbzelle mit PVDF als Bindemittel nach etwa 500 Lade-Entlade-Zyklen nur noch 65 % ihrer ursprünglichen Kapazität aufwies, zeigte die Halbzelle mit dem BP-Copolymer als Bindemittel nach über 1700 solcher Zyklen einen Kapazitätserhalt von 95 %", betont Prof. Matsumi. Die BP-Copolymer-basierten Halbzellen zeigten auch einen sehr hohen und stabilen coulombischen Wirkungsgrad, ein Maß, das die Menge an Ladung vergleicht, die in einem bestimmten Zyklus in die Zelle hinein- und aus ihr herausfließt; dies ist auch ein Indikator für die langfristige Haltbarkeit der Batterie. Aufnahmen der Bindemittel mit einem Rasterelektronenmikroskop vor und nach dem Zyklus zeigten, dass sich auf dem BP-Copolymer nur winzige Risse bildeten, während sich auf dem PVDF bereits nach weniger als einem Drittel der Zyklen große Risse gebildet hatten.

Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse dieser Studie werden den Weg für die Entwicklung langlebiger Li-Ionen-Batterien ebnen. Dies wiederum könnte weitreichende wirtschaftliche und ökologische Konsequenzen haben, wie Prof. Matsumi erklärt: "Die Realisierung von langlebigen Batterien wird zur Entwicklung von zuverlässigeren Produkten für den Langzeitgebrauch beitragen. Dies wird die Verbraucher dazu ermutigen, teurere batteriegestützte Wirtschaftsgüter wie Elektrofahrzeuge zu kaufen, die über viele Jahre hinweg genutzt werden." Er merkt auch an, dass langlebige Batterien eine gute Nachricht für diejenigen wären, die auf künstliche Organe angewiesen sind, wie z.B. Patienten mit bestimmten Herzkrankheiten. Natürlich würde auch die allgemeine Bevölkerung davon profitieren, wenn man bedenkt, wie viel Smartphones, Tablets und Laptops jeden Tag benutzt und aufgeladen werden.

Weitere Fortschritte bei den Elektrodenbindern bringen uns hoffentlich näher an haltbarere batteriebasierte Produkte und eine grünere Zukunft.

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