Forscher entdecken innovativen Ansatz zur Herstellung neuartiger Materialien für Lithium-Ionen-Batterien
Forscher der Boise State University haben einen neuen Ansatz zur Herstellung neuartiger Materialien für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Ausgehend von einem amorphen Nioboxid, d. h. einem Material ohne langreichweitige Ordnung, entdeckte das Team, dass allein durch die Beaufschlagung des Materials mit Lithium eine Umwandlung in eine neuartige kristalline Nb2O5-Anode mit außergewöhnlicher Li-Speicherung und schneller Zykluszeit erfolgt. Dieser Prozess kann möglicherweise zur Herstellung anderer Materialien für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, die auf herkömmliche Weise nicht einfach hergestellt werden können.
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Die Studie, die gemeinsam von Forschern aus den Labors von Hui (Claire) Xiong, Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Boise State University, und Shyue Ping Ong, Professorin für Nanoengineering an der University of California San Diego, geleitet wurde, wurde in Nature Materials veröffentlicht.
Die Entdeckung neuer Materialien für Lithium-Ionen-Batterien hat an Dringlichkeit zugenommen. Aufgrund der steigenden Benzinpreise ist die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und damit auch nach den Lithium-Ionen-Batterien, die sie antreiben, stark gestiegen. Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch noch zu teuer und laden sich zu langsam auf.
"Lithium-Ionen-Batterien sind die führende Technologie auf dem Markt für wiederaufladbare Batterien, aber es gibt auch eine steigende Nachfrage nach Batterien mit hoher Energie und kürzeren Ladezeiten", sagte Pete Barnes, ein ehemaliger Doktorand von Xiongs Labor für elektrochemische Energiematerialien in der Micron School of Materials Science and Engineering und der Hauptautor der Arbeit. "Wenn Sie Ihr Elektroauto 15 Minuten lang aufladen und dann die nächsten 200 oder 300 Meilen fahren wollen, brauchen Sie neue Batterieelektroden, die sehr schnell und ohne große Leistungseinbußen geladen werden können.
Einer der größten Engpässe beim Laden heutiger Lithium-Ionen-Batterien ist die Anode. Die gebräuchlichste Anode besteht aus Graphit, das zwar eine hohe Energiedichte aufweist, aber wegen der Brand- und Explosionsgefahr, die bei einem als Lithium-Metall-Plating bekannten Prozess entsteht, nicht zu schnell geladen werden kann. Interkalations-Metalloxide, wie das vom Team entdeckte Steinsalz Nb2O5, sind vielversprechende Anodenalternativen, da sie das Risiko der Lithiumplattierung bei niedrigen Spannungen verringern. Zur Herstellung des neuen Anodenmaterials entwickelte die Gruppe von Xiong eine innovative neue Technik, die elektrochemisch induzierte amorphe zu kristalline Umwandlung. Die neue Elektrode kann eine hohe Lithium-Speicherkapazität von 269 mAh/g bei einer Laderate von 20 mA/g erreichen und, was noch wichtiger ist, eine hohe Kapazität von 191 mAh/g bei einer hohen Laderate von 1 A/g beibehalten.
"Der spannendste Aspekt dieser Arbeit ist die Entdeckung eines völlig neuen Ansatzes zur Herstellung neuartiger Lithium-Ionen-Batterieelektroden", so Xiong. "Der Trick besteht darin, von einer Phase mit höherer Energie auszugehen, z. B. von einem amorphen Material. Indem wir das Material einfach mit Lithium zyklisieren, können wir neue kristalline Anordnungen schaffen, die bessere Eigenschaften aufweisen als die, die mit herkömmlichen Mitteln wie Festkörperreaktionen hergestellt werden."
Die außergewöhnliche Leistung der Anode ist auf ihre ungeordnete Steinsalz- oder DRX-Struktur zurückzuführen, die wie gewöhnliches Kochsalz aussieht, bei dem die Li- und Nb-Atome jedoch in zufälliger Weise angeordnet sind. Während DRX-Kathodenmaterialien bekannt sind, sind DRX-Anoden relativ selten. Yunxing Zuo, ein ehemaliger Doktorand von Ongs Materials Virtual Lab an der UC San Diego, zeigte mithilfe von Berechnungsmethoden, dass der Prozess des Einfügens von Li in amorphes Nb2O5 den Materialwissenschaftlern den Zugang zu metastabilen Materialien ermöglicht. Das Team entwickelte auch eine Metrik zur Identifizierung anderer Metalloxide, die möglicherweise auf ähnliche Weise synthetisiert werden können. Die Berechnungen zeigen auch, dass die DRX-Struktur Wege für eine schnelle Lithiumdiffusion enthält, was zu einer hohen Leistung führt.
"Wir glauben, dass diese Arbeit nur der Anfang einer völlig neuen Denkweise über die Materialsynthese ist", so Ong. "Atome ordnen sich gerne auf bestimmte Weise an. Wenn wir Materialien auf herkömmliche Weise herstellen, erhalten wir in der Regel immer wieder die gleichen Anordnungen. Dieser neue Ansatz eröffnet einen vielversprechenden Weg zur Herstellung anderer unkonventioneller Metalloxide."
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