01.03.2022 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Neue Elektrode an Bord: β-SiC-Anodenmaterialien vom Typ Zinkblende für Lithium-Ionen-Batterien

Eine einfache Methode für die Synthese neuartiger Anodenmaterialien auf der Basis von β-SiC-Nanopartikeln

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), die für ihre Langlebigkeit, ihre hervorragenden Ladungsspeichereigenschaften, ihre hohe Energiedichte und ihre hohe Betriebsspannung bekannt sind, haben sich zum Eckpfeiler der tragbaren Elektronik, der Elektrofahrzeuge und der alternativen Energiewirtschaft entwickelt. Die Manipulation des Elektrodenmaterials von LIBs ist die entscheidende und praktikable Methode zur Verbesserung ihrer elektrochemischen Eigenschaften. Die aktuelle Forschung im Bereich der Elektrodenmaterialien geht über die herkömmlichen Graphitanoden auf Kohlenstoffbasis hinaus und konzentriert sich auf alternative Materialien wie Übergangsmetalloxide, Zinn und Materialien auf Siliziumbasis.

Silizium, das nach Sauerstoff am häufigsten in der Erdkruste vorkommende Element, hat aufgrund seiner elektronischen Eigenschaften, insbesondere seiner hohen Kapazität, viel Aufmerksamkeit als vielversprechendes Anodenmaterial erregt. Die Sache hat jedoch einen Haken: Dieses Material erfährt während des Betriebs eine sehr große Volumenänderung. Dies beeinträchtigt seine Stabilität, seine strukturelle Integrität und seine elektrischen Eigenschaften, was zu Problemen wie dem Bruch von Partikeln beim Laden und Entladen oder dem Ablösen des Stromabnehmers führt. Diese Probleme haben dazu geführt, dass sich Materialien auf Siliziumbasis nicht in der kommerziellen LIB-Industrie durchsetzen konnten.

Um diese Probleme zu umgehen, haben Research Fellow Ravi Nandan, Doktorand Noriyuki Takamori, Technical Specialist Koichi Higashimine, Senior Lecturer Rajashekar Badam und Prof. Noriyoshi Matsumi vom Japan Advanced Institute of Science and Technology die Zinkblende als Inspiration herangezogen. In einer kürzlich im Journal of Materials Chemistry A veröffentlichten Studie stellt das Team eine ausgeklügelte, instrumentenlose und neuartige Strategie zur Herstellung einzigartiger Zinkblende-Siliziumkarbid-Nanopartikel vor, die bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann.

Die dreidimensionale intermetallische Struktur des Zinkblende-Systems beherbergt bequem Lithium-Ionen in ihren Zwischenräumen. Sie unterliegt auch nur sehr geringen volumetrischen Veränderungen, wenn die Lithiumionen zwischen den Wirtsmaterialien hin- und herwechseln, was eine bessere Langlebigkeit und Reversibilität gewährleistet.

Das siliziumbasierte Gegenstück zum Zinkblende-Material ist β-Siliziumkarbid (SiC). In früheren Studien wurde über Techniken zur Synthese von β-SiC-Verbundwerkstoffen für Anodenmaterialien berichtet, aber die meisten von ihnen erforderten komplexe Verfahren unter Verwendung hochentwickelter Instrumente. Prof. Matsumi erklärt: "Die Energie, die Kosten und der Verbrauch, die mit den konventionellen Synthesetechniken für β-SiC-Verbundwerkstoffe verbunden sind, schränken deren Einsatz stark ein. Unser Ziel war es, ein benutzerfreundliches, leicht anpassbares, wirtschaftliches und robustes Verfahren zu entwickeln, um den Horizont von β-SiC in den Labors für elektrochemische Untersuchungen zu erweitern. Ohne einfache Präparationsmethoden wäre es schwierig, mit der Literatur und den Erkenntnissen der Wissenschaftler, die für andere Peers wie Graphit zur Verfügung stehen, aus Sicht der LIB-Anwendung gleichzuziehen."

Das Team entwickelte einen zweistufigen Syntheseprozess für die Herstellung des β-SiC-basierten Anodenmaterials für LIBs. Der erste Schritt umfasste die Bildung von Silizium-Nanopartikeln in einer Polydopamin-Matrix, und der zweite Schritt war ihre Umwandlung in die spezielle Variante β-SiC-Nanopartikel in einer N-dotierten Kohlenstoffmatrix. Interessanterweise erfordert diese Umwandlung eine viel niedrigere Temperatur (bis zu 600°C) im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.

Das erhaltene Material wurde dann in einer anodischen Halbzellenkonfiguration verwendet und einem elektrochemischen Screening unterzogen. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Stromdichte und Nennkapazität sowie eine vielversprechende Kompatibilität für die reversible Lithium-Ionen-Speicherung. Es zeigte auch eine hohe Kapazitätserhaltung, etwa 94 % nach 300 Lade- und Entladezyklen, um eine Entladekapazität von 1195 mAhg-1 zu erhalten.

Dieses synthetisierte Material kann erfolgreich als Anode verwendet werden, wenn es mit dem kommerziellen LiCoO2 als Kathode kombiniert wird, und die auf diese Weise gebildeten Vollzellen haben das Potenzial von β-SiC für den Einsatz in einem kommerziellen LIB-System. Die einfache Präparationstechnik in dieser Studie hat Türen für viele β-SiC- und LIB-bezogene Forschungen geöffnet, die durch die Verfügbarkeit von Materialien begrenzt waren. "Die weltweiten Kohlenstoffemissionen, die durch den Transport mit fossilen Brennstoffen verursacht werden, steigen von Tag zu Tag. Unsere kostengünstige Methode zur Herstellung hocheffizienter β-SiC-Anodenmaterialien wird die Entwicklung von Batterien mit hoher Energiedichte für die sauberere und umweltfreundlichere Elektroautoindustrie durch den Einsatz in Elektrofahrzeugen ermöglichen. Ihre Anwendung kann möglicherweise sogar auf andere Fahrzeugklassen wie Züge, Flugzeuge und Schiffe ausgeweitet werden", schließt Prof. Matsumi.

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