Aufladen eines Elektrofahrzeugs in nur sechs Minuten?

Elektronenspin: Der Wegbereiter für schnelleres Laden und höhere Kapazität von Batterien

27.06.2023 - Korea, Rep.

Diese bahnbrechende Technik steigert die Speicherkapazität um das 1,5-fache über die theoretische Grenze hinaus und ermöglicht es, ein Elektrofahrzeug in nur sechs Minuten aufzuladen (Symbolbild).

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Das Aufladen eines Elektrofahrzeugs dauert in der Regel etwa 10 Stunden oder länger, und selbst mit Schnelllademethoden dauert es mindestens 30 Minuten. Vorausgesetzt, es gibt einen freien Platz an einer Ladestation. Wenn wir Elektrofahrzeuge so schnell aufladen könnten wie benzinbetriebene Autos, könnte dies dazu beitragen, den Mangel an Ladestationen für Elektrofahrzeuge zu beheben.

Die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden, hängt von der Fähigkeit des Anodenmaterials ab, Lithium-Ionen zu speichern. Kürzlich leitete Professor Won Bae Kim vom Fachbereich Chemieingenieurwesen und dem Graduate Institute of Ferrous & Energy Materials Technology der Pohang University of Science and Technology (POSTECH, Präsident Moo Hwan Kim) ein Forschungsteam zur Entwicklung eines neuen Anodenmaterials. Sein Team, zu dem auch die Doktoranden Song Kyu Kang und Minho Kim vom Fachbereich Chemieingenieurwesen gehörten, synthetisierte Manganferrit-Nanoblätter (Mn_3-xFe_xO₄) mit Hilfe einer neuartigen Selbsthybridisierungsmethode, die auf einem unkomplizierten galvanischen Austauschverfahren beruht. Diese bahnbrechende Technik steigert die Speicherkapazität um das 1,5-fache über die theoretische Grenze hinaus und ermöglicht das Aufladen eines Elektrofahrzeugs in nur sechs Minuten. Die Forschungsarbeit wurde für ihre Exzellenz ausgezeichnet und als Titelblatt in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

In dieser Studie entwickelte das Forscherteam eine neue Methode zur Synthese von Manganferriten als Anodenmaterial, das für seine überlegene Lithium-Ionen-Speicherkapazität und ferromagnetischen Eigenschaften bekannt ist. Zunächst fand eine galvanische Austauschreaktion in einer Lösung aus Manganoxid und Eisen statt, die zu einer Heterostrukturverbindung mit Manganoxid im Inneren und Eisenoxid außen führte. Das Team verwendete dann eine hydrothermale Methode, um nanometerdicke Manganferritplatten mit vergrößerter Oberfläche herzustellen. Auf diese Weise wurden hochgradig spinpolarisierte Elektronen nutzbar gemacht, was die Speicherkapazität für eine beträchtliche Menge an Lithium-Ionen deutlich erhöhte. Diese Innovation ermöglichte es dem Team, die theoretische Kapazität des Manganferrit-Anodenmaterials um über 50 Prozent zu übertreffen.

Die Vergrößerung der Oberfläche des Anodenmaterials erleichterte die gleichzeitige Bewegung einer großen Menge von Lithium-Ionen und verbesserte so die Ladegeschwindigkeit der Batterie. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass nur sechs Minuten benötigt werden, um eine Batterie mit einer Kapazität zu laden und zu entladen, die derjenigen der derzeit auf dem Markt befindlichen Elektrofahrzeuge entspricht. Diese Studie hat den anspruchsvollen Syntheseprozess verfeinert, um einen Durchbruch bei der theoretischen Kapazität des Anodenmaterials zu erzielen und den Ladeprozess der Batterie erheblich zu beschleunigen.

Professor Won Bae Kim, der die Forschung leitete, erklärte: "Wir haben ein neues Verständnis dafür entwickelt, wie man die elektrochemischen Beschränkungen herkömmlicher Anodenmaterialien überwinden und die Batteriekapazität erhöhen kann, indem wir ein rationales Design mit Oberflächenveränderung durch Elektronenspin anwenden." Er zeigte sich optimistisch, dass diese Entwicklung zu einer längeren Lebensdauer der Batterien und kürzeren Aufladezeiten für Elektrofahrzeuge führen könnte.

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Originalveröffentlichung

Song Kyu Kang et al.; Exceeding Theoretical Capacity in Exfoliated Ultrathin Manganese Ferrite Nanosheets via Galvanic Replacement-Derived Self-Hybridization for Fast Rechargeable Lithium-Ion Batteries; Advanced Functional Materials; 2023

https://www.chemie.de/news/1180907/aufladen-eines-elektrofahrzeugs-in-nur-sechs-minuten.html