Neuer Meilenstein für Lithium-Metall-Batterien

POSTECH, KIER und POSCO N.EX.T HUB entwickeln poröse Strukturen für Lithium-Metall-Batterien

29.05.2024

So wie Straßenschilder Richtungen und Entfernungen angeben, damit sich Reisende nicht verirren, weisen "Wegweiser" den Menschen in bestimmten Situationen den Weg. In der Chemie wurden kürzlich Strukturen entdeckt, die einen ähnlichen Zweck erfüllen und großes wissenschaftliches Interesse auf sich ziehen.

Professor Soojin Park und Dong-Yeob Han, ein Doktorand, vom Fachbereich Chemie der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) haben in Zusammenarbeit mit Dr. Gyujin Song vom Korea Institute of Energy Research (KIER) und einem Forscherteam am POSCO N.EX.T HUB eine dreidimensionale Polymerstruktur entwickelt. Diese leichte Struktur erleichtert den Transport von Lithium (Li)-Ionen. Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Online-Ausgabe der internationalen Zeitschrift "Advanced Science" veröffentlicht.

Die Batterietechnologie, die in elektronischen Geräten wie Elektrofahrzeugen und Smartphones zum Einsatz kommt, entwickelt sich ständig weiter. Lithium-Metall-Anoden haben eine Energiekapazität von 3.860 mAh/g, mehr als zehnmal so viel wie die derzeit kommerziell erhältlichen Graphit-Anoden. Lithium-Metall-Anoden können mehr Energie auf kleinerem Raum speichern und im Gegensatz zu Graphit oder Silizium als Elektroden direkt an elektrochemischen Reaktionen teilnehmen.

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Während des Lade- und Entladevorgangs entstehen jedoch durch die ungleichmäßige Verteilung der Lithiumionen Bereiche, die als "totes Li" bezeichnet werden und die Kapazität und Leistung der Batterie verringern. Wenn das Lithium in eine Richtung wächst, kann es außerdem die Kathode auf der gegenüberliegenden Seite erreichen und einen internen Kurzschluss verursachen. Obwohl sich die jüngste Forschung auf die Optimierung des Lithiumtransports in dreidimensionalen Strukturen konzentriert hat, sind die meisten dieser Strukturen auf Schwermetalle angewiesen, was die Energiedichte der Batterie pro Gewicht erheblich beeinträchtigt.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team eine hybride poröse Struktur aus Polyvinylalkohol, einem leichten Polymer mit hoher Affinität für Lithiumionen, in Kombination mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nanokohlenstoffkugeln.

Diese Struktur ist mehr als fünfmal leichter als die üblicherweise in Batterieanoden verwendeten Kupfersammler (Cu) und hat eine hohe Affinität für Lithiumionen, was deren Wanderung durch die Zwischenräume in der dreidimensionalen porösen Struktur erleichtert und eine gleichmäßige Lithium-Elektrodeposition ermöglicht.

In Experimenten zeigten Lithium-Metall-Anodenbatterien mit der dreidimensionalen Struktur des Teams nach über 200 Lade-/Entladezyklen eine hohe Stabilität und erreichten eine hohe Energiedichte von 344 Wh/kg (Energie im Verhältnis zum Gesamtgewicht der Zelle). Bemerkenswert ist, dass diese Experimente mit Pouch-Zellen durchgeführt wurden, die für tatsächliche industrielle Anwendungen repräsentativ sind, und nicht mit Knopfzellen im Labormaßstab, was das große Potenzial der Technologie für die Kommerzialisierung unterstreicht.

Professor Soojin Park von POSTECH drückte die Bedeutung der Forschung mit den Worten aus: "Diese Forschung eröffnet neue Möglichkeiten zur Maximierung der Energiedichte von Lithium-Metall-Batterien." Dr. Gyujin Song vom KIER betonte: "Diese Struktur, die leichte Eigenschaften mit hoher Energiedichte kombiniert, stellt einen Durchbruch in der zukünftigen Batterietechnologie dar."

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