Lebensdauer von Elektrofahrzeugen verlängern

Dual-Ionen-Batterien zeigten auch nach über 3.500 Ladezyklen eine außergewöhnliche Leistung

14.11.2023

Symbolisches Bild

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Bei Elektrofahrzeugen, die mit gespeicherter elektrischer Energie betrieben werden, liegt der Schlüssel in wiederaufladbaren Batterien, die mehrere Ladezyklen überstehen können. Lithium-Ionen-Batterien waren bisher das Aushängeschild für diese Anwendung. Aufgrund der begrenzten Energiespeicherkapazität und anderer damit verbundener Probleme hat sich der Schwerpunkt jedoch auf eine interessante Alternative verlagert, die als Dual-Ionen-Batterien (DIBs) bekannt ist.

Dual-Ionen-Batterien nutzen sowohl Lithiumkationen als auch Gegenanionen gleichzeitig und bieten eine hohe Energiedichte, die mit der herkömmlicher Batterien vergleichbar ist. Dadurch können sie eine beträchtliche Menge an Energie speichern. Die größeren Anionen verursachen jedoch eine Ausdehnung und Kontraktion des Graphitanodenmaterials während des Ladens und Entladens, was zu einer geringeren Lebensdauer der Batterie führen kann.

In einem kürzlich erzielten Durchbruch hat ein kollaboratives Forschungsteam das Problem der Haltbarkeit von Dual-Ionen-Batterien durch innovative Polymerbindemittelforschung gelöst. Zu dem Team gehörten Professor Soojin Park (Fachbereich Chemie) sowie die Doktoranden Jieun Kang (Fachbereich Chemie) und Jinwoo Hwang (Fachbereich Chemieingenieurwesen) von der Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Professor Jeong Woo Han (Materialwissenschaft und -technik) von der Seoul National University sowie Professor Ja-Hyoung Ryu (Fachbereich Chemie) und Ph.D. Student Seungho Lee (Fachbereich Chemie) vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) und Professor Jaegeon Ryu (Fachbereich Chemie- und Biomolekulartechnik) von der Sogang-Universität. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in Advanced Materials veröffentlicht.

Das Bindemittel spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherung verschiedener Chemikalien in wiederaufladbaren Batterien. In dieser Studie führte das Forschungsteam ein neuartiges Polymerbindemittel ein, das Azidgruppen (N₃-) und Acrylatgruppen (C₃H₃O₂).

Azidgruppen bilden durch eine chemische Reaktion, die durch ultraviolettes Licht begünstigt wird, eine robuste kovalente Bindung mit dem Graphit und gewährleisten so die strukturelle Integrität des Graphits während seiner Expansion und Kontraktion. Gleichzeitig erleichtern Acrylatgruppen die Wiederherstellung der Verbindung zwischen dem Graphit und dem Bindemittel, selbst wenn die Bindung gestört ist.

Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass Dual-Ionen-Batterien, die mit dem neu entwickelten Bindemittel ausgestattet waren, auch nach mehr als 3.500 Ladezyklen eine außergewöhnliche Leistung aufwiesen. Diese Batterien ließen sich auch schnell aufladen, wobei etwa 88 % der ursprünglichen Kapazität innerhalb von nur 2 Minuten wiederhergestellt werden konnten.

Professor Soojin Park, die treibende Kraft hinter der Forschung, erklärte: "Dual-Ionen-Batterien sind nicht nur kostengünstig, sondern nutzen auch die reichlich vorhandenen Graphitressourcen der Erde. Diese Forschung wird die weitere Erforschung von Dual-Ionen-Batterien anregen, die über Elektrofahrzeuge hinaus für verschiedene andere Anwendungen eingesetzt werden können."

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Originalveröffentlichung

Jieun Kang, Seungho Lee, Jinwoo Hwang, Sungho Kim, Sangyeop Lee, Seokkeun Yoo, Jeong Woo Han, Ja‐Hyoung Ryu, Jaegeon Ryu, Soojin Park; "Azacyclic Anchor‐Enabled Cohesive Graphite Electrodes for Sustainable Anion Storage"; Advanced Materials, 2023-10-22

https://www.chemie.de/news/1182013/lebensdauer-von-elektrofahrzeugen-verlaengern.html