08.04.2021 - St. Petersburg State Polytechnical University

Neuer Batterietyp kann zehnmal schneller laden als ein Lithium-Ionen-Akku

Außerdem ist er sicherer in Bezug auf mögliche Brandgefahren und hat eine geringere Umweltbelastung

Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie dominieren den Markt für kleinformatige Batterien für tragbare elektronische Geräte und werden auch häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Gleichzeitig haben Lithium-Ionen-Batterien eine Reihe von ernsten Problemen, darunter: eine potenzielle Brandgefahr und Leistungsverlust bei kalten Temperaturen sowie eine erhebliche Umweltbelastung durch die Entsorgung verbrauchter Batterien.

Laut dem Leiter des Forscherteams, Professor in der Abteilung für Elektrochemie an der Universität St. Petersburg Oleg Levin, haben die Chemiker redoxaktive nitroxylhaltige Polymere als Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung erforscht. Diese Polymere zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und eine schnelle Lade- und Entladegeschwindigkeit aufgrund einer schnellen Redoxkinetik aus. Eine Herausforderung bei der Umsetzung einer solchen Technologie ist die unzureichende elektrische Leitfähigkeit. Diese erschwert die Ladungssammlung selbst bei hochleitfähigen Additiven, wie z. B. Kohlenstoff.

Auf der Suche nach Lösungen, um dieses Problem zu überwinden, synthetisierten die Forscher der Universität St. Petersburg ein Polymer auf Basis des Nickel-Salen-Komplexes (NiSalen). Die Moleküle dieses Metallpolymers wirken wie ein molekularer Draht, an den energieintensive Nitroxyl-Anhänger gebunden sind. Die molekulare Architektur des Materials ermöglicht eine hohe Kapazitätsleistung über einen weiten Temperaturbereich.

Wir haben das Konzept für dieses Material 2016 entwickelt. Damals begannen wir ein Grundlagenprojekt "Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien auf Basis metallorganischer Polymere" zu entwickeln. Es wurde durch einen Zuschuss der Russischen Wissenschaftsstiftung unterstützt. Bei der Untersuchung des Ladungstransportmechanismus in dieser Verbindungsklasse entdeckten wir, dass es zwei wichtige Entwicklungsrichtungen gibt. Erstens können diese Verbindungen als Schutzschicht verwendet werden, um das Hauptleiterkabel der Batterie abzudecken, das sonst aus herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie-Materialien bestehen würde. Und zweitens können sie als aktiver Bestandteil von elektrochemischen Energiespeichermaterialien verwendet werden", erklärt Oleg Levin.

Die Entwicklung des Polymers dauerte über drei Jahre. Im ersten Jahr testeten die Wissenschaftler das Konzept des neuen Materials: Sie kombinierten einzelne Komponenten, um das elektrisch leitende Grundgerüst und die redoxaktiven nitroxylhaltigen Anhängsel zu simulieren. Dabei galt es sicherzustellen, dass alle Teile der Struktur zusammenarbeiten und sich gegenseitig verstärken. Der nächste Schritt war die chemische Synthese der Verbindung. Sie war der anspruchsvollste Teil des Projekts. Denn einige der Komponenten sind extrem empfindlich und schon der kleinste Fehler eines Wissenschaftlers kann zu einer Zersetzung der Proben führen.

Von den mehreren erhaltenen Polymerproben erwies sich nur eine als ausreichend stabil und effizient. Die Hauptkette der neuen Verbindung wird durch Komplexe von Nickel mit Salen-Liganden gebildet. Ein stabiles freies Radikal, das zur schnellen Oxidation und Reduktion (Laden und Entladen) fähig ist, wurde über kovalente Bindungen mit der Hauptkette verbunden.

Eine mit unserem Polymer hergestellte Batterie wird in Sekundenschnelle aufgeladen - etwa zehnmal schneller als eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie. Dies wurde bereits in einer Reihe von Experimenten nachgewiesen. Allerdings hinkt sie in Bezug auf die Kapazität noch hinterher - sie ist 30 bis 40 % geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Wir arbeiten derzeit daran, diesen Indikator zu verbessern und gleichzeitig die Lade-Entlade-Rate beizubehalten", sagt Oleg Levin.

Die Kathode für die neue Batterie ist bereits hergestellt - eine positive Elektrode für den Einsatz in chemischen Stromquellen. Jetzt brauchen wir noch die negative Elektrode - die Anode. Sie muss nicht von Grund auf neu geschaffen werden - sie kann aus den vorhandenen ausgewählt werden. Gepaart bilden sie ein System, das in einigen Bereichen vielleicht schon bald die Lithium-Ionen-Batterien ablösen wird.

Die neue Batterie ist in der Lage, bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten und wird eine hervorragende Option sein, wenn schnelles Aufladen entscheidend ist. Sie ist sicher in der Anwendung - es gibt nichts, was eine Verbrennungsgefahr darstellen könnte, im Gegensatz zu den heute weit verbreiteten kobaltbasierten Batterien. Sie enthält auch deutlich weniger Metalle, die der Umwelt schaden können. Nickel ist in unserem Polymer in einer kleinen Menge vorhanden, aber es ist viel weniger davon als in Lithium-Ionen-Batterien", sagt Oleg Levin.

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