22.12.2021 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Schnelle und langlebige Batterien in Sicht

Vielversprechendes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien könnte eine extrem schnelle Batterieladung für Elektrofahrzeuge ermöglichen

Angesichts des Klimawandels konzentrieren sich immer mehr Forscher auf die Verbesserung von Elektrofahrzeugen (electric vehicles, EVs), um sie zu einer attraktiveren Alternative zu herkömmlichen Benzinautos zu machen. Die Verbesserung der Batterien von E-Fahrzeugen ist ein Schlüsselthema, um mehr Fahrer anzuziehen. Neben Sicherheit, Autonomie und Haltbarkeit wünschen sich die meisten Menschen auch eine schnelle Aufladung. Gegenwärtig dauert das Aufladen bei modernen Elektroautos 40 Minuten, während Gasautos in höchstens fünf Minuten aufgeladen werden können. Die Ladezeit muss unter 15 Minuten liegen, um eine praktikable Option zu sein.

Es überrascht nicht, dass Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), die überall bei tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt werden, als Option für Elektroautos erkannt wurden, und es wird ständig nach neuen Strategien zur Verbesserung ihrer Leistung gesucht. Eine Möglichkeit, die Ladezeit von LIBs zu verkürzen, besteht darin, die Diffusionsrate von Lithiumionen zu erhöhen, was wiederum durch eine Vergrößerung des Zwischenschichtabstands in den kohlenstoffbasierten Materialien, die in der Anode der Batterie verwendet werden, erreicht werden kann. Während dies mit einigem Erfolg durch das Einbringen von Stickstoffverunreinigungen (technisch als "Stickstoffdotierung" bezeichnet) erreicht wurde, gibt es keine einfach verfügbare Methode zur Kontrolle des Zwischenschichtabstands oder zur Konzentration des Dotierungselements.

Vor diesem Hintergrund hat ein Team von Wissenschaftlern des Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) kürzlich einen Ansatz für die Anodenherstellung entwickelt, der zu einer extrem schnellen Aufladung von LIBs führen könnte. Das Team unter der Leitung von Prof. Noriyoshi Matsumi besteht aus Prof. Tatsuo Kaneko, Senior Lecturer Rajashekar Badam, JAIST Technical Specialist Koichi Higashimine, JAIST Research Fellow Yueying Peng und JAIST Studentin Kottisa Sumala Patnaik. Ihre Ergebnisse wurden am 24. November 2021 online in Chemical Communications veröffentlicht.

Ihre Strategie stellt einen relativ einfachen, umweltfreundlichen und hocheffizienten Weg zur Herstellung einer Anode auf Kohlenstoffbasis mit sehr hohem Stickstoffgehalt dar. Das Vorläufermaterial für die Anode ist Poly(benzimidazol), ein biobasiertes Polymer, das aus Rohstoffen biologischen Ursprungs synthetisiert werden kann. Durch Kalzinieren dieses thermisch stabilen Materials bei 800 °C gelang es dem Team, eine Kohlenstoffanode mit einem rekordverdächtigen Stickstoffgehalt von 17% des Gewichts herzustellen. Sie überprüften die erfolgreiche Synthese dieses Materials und untersuchten seine Zusammensetzung und strukturellen Eigenschaften mit einer Reihe von Techniken, darunter Rasterelektronen-Tunnelmikroskopie, Raman-Spektroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie.

Um die Leistung ihrer Anode zu testen und sie mit dem gebräuchlicheren Graphit zu vergleichen, bauten die Forscher Halbzellen und Vollzellen und führten Lade-Entlade-Experimente durch. Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend, denn das vorgeschlagene Anodenmaterial erwies sich dank seiner verbesserten Lithium-Ionen-Kinetik als geeignet für Schnellladungen. Darüber hinaus zeigten Haltbarkeitstests, dass die Batterien mit dem vorgeschlagenen Anodenmaterial selbst nach 3.000 Lade-Entlade-Zyklen bei hohen Raten etwa 90 % ihrer ursprünglichen Kapazität beibehielten, was deutlich mehr ist als die Kapazität, die von Zellen auf Graphitbasis beibehalten wird.

Professor Matsumi freut sich über die Ergebnisse: "Die extrem schnelle Ladegeschwindigkeit des von uns entwickelten Anodenmaterials könnte es für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet machen. Deutlich kürzere Ladezeiten werden hoffentlich dazu führen, dass sich die Verbraucher eher für Elektroautos als für benzinbetriebene Fahrzeuge entscheiden, was letztlich zu einer saubereren Umwelt in allen Großstädten der Welt führen wird."

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil des vorgeschlagenen Anodenmaterials ist die Verwendung eines biobasierten Polymers für seine Synthese. Als kohlenstoffarme Technologie führt das Material natürlich zu einem Synergieeffekt, der die CO2-Emissionen weiter reduziert. Darüber hinaus, so Professor Matsumi, "wird die Anwendung unseres Ansatzes die Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bei Anodenmaterialien mit schnellen Lade-Entlade-Fähigkeiten voranbringen."

Änderungen an der Struktur des Polymervorläufers könnten zu einer noch besseren Leistung führen, was nicht nur für die Batterien von Elektrofahrzeugen, sondern auch für tragbare Elektronikgeräte von Bedeutung sein könnte. Und schließlich wird die Entwicklung hochgradig haltbarer Batterien den weltweiten Verbrauch an seltenen Metallen, die nicht erneuerbare Ressourcen sind, verringern.

Hoffen wir alle, dass künftige Fortschritte in diesem Bereich den Weg für die breite Einführung von Elektroautos und anderen umweltfreundlichen Technologien ebnen werden.

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