Batterien für Elektrofahrzeuge könnten durch eine neue Polymerbeschichtung einen großen Schub erhalten
Wissenschaftler verbessern die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien auf atomarer Ebene
Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben eine leitfähige Polymerbeschichtung - genannt HOS-PFM - entwickelt, die eine längere Lebensdauer und höhere Leistung von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge ermöglichen könnte.
Die Forscher des Berkeley Labs haben gezeigt, dass die HOS-PFM-Beschichtung die Zersetzung von Elektroden auf Aluminiumbasis während der Batteriezyklen deutlich verhindert und gleichzeitig eine hohe Batteriekapazität über 300 Zyklen bietet. Von links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Aluminium auf einer Kupfer-Doppelschichtvorrichtung vor (Abbildung A) und nach (Abbildung B) der Batteriezyklen. Abbildung C zeigt ein dreischichtiges Kupferbauteil mit HOS-PFM-Beschichtung nach dem Batteriewechsel.
Gao Liu/Berkeley Lab
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"Dieser Fortschritt eröffnet einen neuen Ansatz für die Entwicklung von Batterien für Elektrofahrzeuge, die erschwinglicher und einfacher herzustellen sind", sagte Gao Liu, ein leitender Wissenschaftler in der Energy Technologies Area des Berkeley Lab.
Die HOS-PFM-Beschichtung leitet sowohl Elektronen als auch Ionen zur gleichen Zeit. Dadurch werden die Stabilität der Batterie und hohe Lade-/Entladeraten gewährleistet und die Lebensdauer der Batterie verlängert. Die Beschichtung ist auch ein vielversprechender Batteriekleber, der die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie von durchschnittlich 10 auf etwa 15 Jahre verlängern könnte, so Liu weiter.
Um die hervorragenden Leit- und Klebeeigenschaften von HOS-PFM zu demonstrieren, beschichteten Liu und sein Team Aluminium- und Siliziumelektroden mit HOS-PFM und testeten deren Leistung in einer Lithium-Ionen-Batterie.
Silizium und Aluminium sind vielversprechende Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer potenziell hohen Energiespeicherkapazität und ihres leichten Profils. Diese billigen und reichlich vorhandenen Materialien nutzen sich jedoch nach mehreren Lade-/Entladezyklen schnell ab.
In Experimenten an der Advanced Light Source und der Molecular Foundry konnten die Forscher nachweisen, dass die HOS-PFM-Beschichtung die Abnutzung von Elektroden auf Silizium- und Aluminiumbasis während der Batteriezyklen signifikant verhindert und gleichzeitig eine hohe Batteriekapazität über 300 Zyklen bietet - eine Leistung, die dem heutigen Stand der Technik entspricht.
Die Ergebnisse sind beeindruckend, so Liu, da Lithium-Ionen-Zellen auf Siliziumbasis in der Regel nur eine begrenzte Anzahl von Lade-/Entladezyklen und eine begrenzte Lebensdauer aufweisen. Die Forscher haben diese Ergebnisse kürzlich in der Zeitschrift Nature Energy beschrieben.
Die HOS-PFM-Beschichtung könnte die Verwendung von Elektroden ermöglichen, die bis zu 80 % Silizium enthalten. Ein solch hoher Siliziumgehalt könnte die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien um mindestens 30 % erhöhen, so Liu. Und da Silizium billiger ist als Graphit, das derzeitige Standardmaterial für Elektroden, könnten billigere Batterien die Verfügbarkeit von Elektrofahrzeugen der Einstiegsklasse deutlich erhöhen, fügte er hinzu.
Als Nächstes plant das Team die Zusammenarbeit mit Unternehmen, um HOS-PFM für die Massenproduktion zu optimieren.
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