11.04.2022 - Tsinghua University

Neuartige Nutzung von eisenbeschichteten Kohlenstoff-Nanofasern führt zu leistungsstarken Energiespeichern

Eine neue Studie chinesischer Forscher zeigt einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Speicherleistung von Batterien und Kondensatoren. Die Forscher entwickelten eine einfache und effiziente Methode zur Herstellung eines Materials mit hervorragender Leistung für den Einsatz in Geräten, die auf Lithium-Ionen-Speicher angewiesen sind. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nano-Forschung am 1. April.

Warum Lithium?

Energiespeichertechnologien werden immer wichtiger, da sich die Welt in Richtung Kohlenstoffneutralität bewegt und die Elektrifizierung des Automobilsektors und der erneuerbaren Energien vorantreiben will. Die Lithium-Ionen-Technologie ist entscheidend für diesen Wandel. "Unter allen verfügbaren Kandidaten könnten Energiespeicher mit Lithium-Speicherchemie, wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Kondensatoren, zum gegenwärtigen Zeitpunkt die beste Leistung erbringen", sagt Studienautor Han Hu, ein Forscher am Institut für Neue Energie der China University of Petroleum.

Die Nutzung der Lithium-Ionen-Technologie für die Energiespeicherung ist jedoch durch ihre Effizienz im Verhältnis zur Größe begrenzt. In einer von den Autoren zitierten Studie aus dem Jahr 2021 heißt es, dass die Lithium-Ionen-Batterien sowohl hinsichtlich des Gewichts als auch des Volumens effizienter werden müssen, um die Wettbewerbsfähigkeit von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Eine weitere Verbesserung der Speicherkapazität kann daher der Schlüssel zum Erreichen der Kohlenstoffneutralität sein, was die Forschung zur Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und -Kondensatoren durch die Verwendung neuartiger Materialien von größter Bedeutung macht.

Konstruktion eines neuartigen Materials

Mit Stickstoff dotierte kohlenstoffhaltige Materialien sind derzeit die erste Wahl für Lithium-Ionen-Batterien und -Kondensatoren, wobei der Elektronen- und Ionentransfer die grundlegenden Prozesse für die elektrochemische Energiespeicherung sind. Da kohlenstoffhaltige Materialien jedoch unpolar sind - mit gleichmäßig über ihre Moleküle verteilten Ladungen - haftet das geladene Lithium (Li+) nicht leicht an den Materialien, trotz seiner ungesättigten Konfiguration, die ihm eine geeignete Bindungsenergie verleiht.

Die Forscher versahen daher Kohlenstoffnanofasern mit Eisen (Fe), um ihre Oberflächenchemie so zu regulieren, dass ein erhöhter Elektronen- und Ionentransfer ermöglicht wird. Durch Elektrospinnen stellten sie eine Reihe von Kohlenstoffnanofaserproben mit Fe-Gehalt her. Anschließend bewerteten sie die Li+-Speicherleistung der Proben mit einer Reihe von elektrochemischen Testmethoden. Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie zeigten ein 3D-Netzwerk aus glatten Fasern ohne Klumpen von Eisenpartikeln, was darauf hindeutet, dass diese gut dispergiert waren.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von atomarem Fe die elektronische Struktur der Kohlenstoffmaterialien veränderte, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und den Diffusionswiderstand von Li+ zu verringern. Die Forscher erklären, dass die elektrochemische Leistung vor allem durch einen synergistischen Effekt des atomaren Fe und die Bildung einer Fe-N-Bindung verbessert wurde, die mehr aktive Stellen freilegte, an denen Li+ anhaften konnte. Das Ergebnis war eine Verbesserung der Lithium-Speicherleistung. Die hergestellte Anode lieferte über 5000 Zyklen mit hoher Stromdichte eine anhaltende elektrische Leistung, die sowohl eine hohe Energie als auch eine große Leistungsdichte aufweist. Die verflochtene Faserstruktur sorgte für strukturelle Stabilität und verbesserte Leitfähigkeit.

Studienautor Yanan Li, ebenfalls Forscher an der China University of Petroleum, erklärt, wie die in dieser Studie entwickelte Materialkonformation "eine kinetisch beschleunigte Li+-Speicherung und eine gute Leistung bei hohen Massenbeladungen erreicht", und zwar mit "einer einfachen Methode zur Herstellung von mit atomarem Fe dekorierten Kohlenstoff-Nanofasern".

Blick in die Zukunft

Die Autoren der Studie betonen, dass die Verwendung von Kohlenstoff-Nanofasern die Lücke zwischen Grundlagenforschung und praktischen Anwendungen schließen könnte. Sie gehen davon aus, dass das neue Material in einer Reihe von Energiespeichern zum Einsatz kommen wird. "Die elektrogesponnenen Kohlenstoff-Nanofasermatten sind hochflexibel, was auf die Möglichkeit hinweist, flexible und tragbare Energiespeicher zu konstruieren", sagt Hu. Die Kohlenstoff-Nanofasermatten würden als Elektroden dienen. Außerdem, so die Forscher, wollen sie die Verwendung anderer Ein-Atom-Metalle wie Natrium, Kalium und Zink erforschen, um die Speicherung elektrochemischer Energie zu verbessern.

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