13.06.2022 - American Chemical Society (ACS)

Lithium-Ionen-Batterien, die bei extremer Kälte länger halten

Batterie mit einem holprigen Anodenmaterial auf Kohlenstoffbasis behielt ihre wiederaufladbare Speicherkapazität in extremer Kälte bei

Wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, müssen Handys häufig aufgeladen werden, und Elektroautos haben eine kürzere Reichweite. Das liegt daran, dass die Anoden ihrer Lithium-Ionen-Batterien träge werden, weniger Ladung halten und schnell Energie verbrauchen. Um die elektrische Leistung bei extremer Kälte zu verbessern, haben Forscher in der Zeitschrift ACS Central Science die herkömmliche Graphitanode in einer Lithium-Ionen-Batterie durch ein holpriges Material auf Kohlenstoffbasis ersetzt, das seine wiederaufladbare Speicherkapazität bis zu -31 F beibehält.

Lithium-Ionen-Batterien eignen sich hervorragend für den Betrieb von wiederaufladbarer Elektronik, da sie viel Energie speichern können und eine lange Lebensdauer haben. Aber wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, nimmt die elektrische Leistung dieser Energiequellen ab, und wenn die Bedingungen kalt genug sind, können sie keine Ladung mehr übertragen. Das ist der Grund, warum manche Menschen im Mittleren Westen der USA mitten im Winter Probleme mit ihren Elektroautos haben und warum es riskant ist, diese Batterien bei der Erkundung des Weltraums einzusetzen. Kürzlich haben Wissenschaftler festgestellt, dass die flache Ausrichtung des Graphits in der Anode dafür verantwortlich ist, dass die Energiespeicherkapazität einer Lithium-Ionen-Batterie in der Kälte abnimmt. Xi Wang, Jiannian Yao und Kollegen wollten daher die Oberflächenstruktur eines auf Kohlenstoff basierenden Materials verändern, um den Ladungstransferprozess der Anode zu verbessern.

Um das neue Material herzustellen, erhitzten die Forscher ein kobalthaltiges Zeolith-Imidazolat-Gerüst (bekannt als ZIF-67) bei hohen Temperaturen. Die daraus resultierenden 12-seitigen Kohlenstoff-Nanokugeln hatten eine unebene Oberfläche, die hervorragende elektrische Ladungsübertragungseigenschaften aufwies. Anschließend testete das Team die elektrische Leistung des Materials als Anode mit Lithiummetall als Kathode in einer münzförmigen Batterie. Die Anode zeigte stabile Lade- und Entladevorgänge bei Temperaturen von 7 bis -4 Grad Celsius und behielt 85,9 % der Energiespeicherkapazität bei Raumtemperatur knapp unter dem Gefrierpunkt bei. Im Vergleich dazu konnten Lithium-Ionen-Batterien, die mit anderen kohlenstoffbasierten Anoden, darunter Graphit und Kohlenstoffnanoröhren, hergestellt wurden, bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt fast keine Ladung halten. Als die Forscher die Lufttemperatur auf -31 F sinken ließen, war die Anode mit den holprigen Nanokugeln immer noch aufladbar und gab beim Entladen fast 100 % der in die Batterie eingebrachten Ladung ab. Der Einbau des Materials aus holprigen Nanokugeln in Lithium-Ionen-Batterien könnte den Forschern zufolge die Möglichkeit eröffnen, diese Energiequellen bei extrem niedrigen Temperaturen zu nutzen.

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