Doppelfaser-Struktur steigert Batterieelektroden-Leistung um 40 %
Forschungsteam entwickelt lösungsmittelfreies Trockenverfahren mit fadenartigen und seilartigen PTFE-Fasern für höhere Energiedichte.
Anzeigen
Ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Gyujin Song vom Korea Institute of Energy Research (Präsident: Yi, Chang-Keun, im Folgenden "KIER"), Dr. Kwon-Hyung Lee von der University of Cambridge und Professor Tae-Hee Kim von der University of Ulsan hat erfolgreich ein neues Trockenverfahren zur Herstellung von Sekundärbatterieelektroden entwickelt, das die Grenzen herkömmlicher Elektrodenherstellungsverfahren überwindet.
Mit der entwickelten Technologie hergestellte Pouch-Zellen (von oben Zelle mit Lithium-Metall-Anode, Zelle mit Graphit-Anode)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
Bei der vom Forschungsteam entwickelten Technologie handelt es sich um einen Trockenherstellungsprozess, bei dem im Inneren der Elektrode eine Doppelfaserstruktur entsteht, bei der gleichzeitig dünne "fadenartige" und dicke "seilartige" Fasern gebildet werden. Mit dieser Doppelfaser-Architektur kann die Technologie gleichzeitig die Probleme der geringen Mischfestigkeit und der Leistungsverschlechterung herkömmlicher Trockenverfahren beheben.
Die Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Sekundärbatterien werden grob in Nass- und Trockenverfahren unterteilt, je nachdem, ob ein Lösungsmittel verwendet wird. Beim Nassverfahren wird ein in einem Lösungsmittel gelöstes Bindemittel als Haftmittel verwendet, das eine gleichmäßige Durchmischung der Elektrodenmaterialien gewährleistet. Aufgrund der hohen Prozesssicherheit und der Vorteile bei der Leistungssicherung ist das Nassverfahren derzeit die vorherrschende Methode zur Elektrodenherstellung.
Binder: Ein Polymermaterial, das bei der Herstellung von Sekundärbatterie-Elektroden verwendet wird und die Komponenten wie das aktive Material (das elektrische Energie speichert) und das leitende Additiv (das den elektrischen Strom leitet) zusammenhält, damit die Elektrode ihre Form stabil beibehält.
Die Elektrode kann so ihre Form stabil beibehalten. Sie ist jedoch auf giftige organische Lösungsmittel angewiesen, was eine große Belastung für die Umwelt darstellt, und die für die Trocknung und Lösungsmittelrückgewinnung erforderliche Zeit ist lang, was zu hohen Produktionskosten führt. Daher ist in letzter Zeit ein wachsendes Interesse an der Entwicklung von Trockenverfahren festzustellen, die ohne Lösungsmittel auskommen.
Beim Trockenverfahren werden keine Lösungsmittel verwendet, was eine schnellere Verarbeitung ermöglicht und dazu beiträgt, die Umweltverschmutzung und den Energieverbrauch zu verringern. Da jedoch kein Lösungsmittel zum Auflösen des Bindemittels vorhanden ist, kann nur eine begrenzte Anzahl von Bindemitteln verwendet werden, z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), das sich zu faserähnlichen Strukturen ausdehnt und die Partikel physikalisch zusammenhält.
PTFE (Polytetrafluorethylen): ein Material mit hervorragender Hitzebeständigkeit und chemischer Resistenz, im Alltag weithin bekannt als Teflon (ein Markenname von DuPont, USA), das für Bratpfannenbeschichtungen verwendet wird.
Bei den herkömmlichen Trockenverfahren war es schwierig, die Elektrodenmaterialien gleichmäßig zu mischen, und die geringe Kohäsion der Mischung führte zu anhaltenden Bedenken, dass die Leistung und Haltbarkeit der fertigen Batterien beeinträchtigt werden.
Um die strukturellen Einschränkungen des Trockenverfahrens zu überwinden, änderten die Forscher nicht das Material des herkömmlichen PTFE-Bindemittels; stattdessen kontrollierten sie die physikalische Struktur desselben Materials, um ein PTFE-Bindemittel mit einer "Doppelfaser"-Struktur zu schaffen.
Das Forscherteam entwickelte ein originelles mehrstufiges Verfahren, das die Zugabe des Bindemittels von einem einzigen Schritt in zwei Stufen unterteilt. Zunächst fügen sie eine geringe Menge des Bindemittels hinzu und führen einen ersten Mischschritt durch, bei dem sich ein feines, "fadenförmiges" Fasernetzwerk bildet, das das aktive Material und den leitfähigen Zusatzstoff dicht miteinander verbindet. Dann fügen sie in einem sekundären Mischschritt das restliche Bindemittel hinzu, so dass unter Beibehaltung des bestehenden Fasernetzes eine zusätzliche dicke und robuste "seilartige" Faserstruktur gebildet wird.
Das daraus resultierende feine, "fadenförmige" Fasernetz verteilt die Bestandteile, wie das aktive Material und den leitfähigen Zusatzstoff, gleichmäßig, wodurch die Reaktionen gleichmäßiger ablaufen und die Batterieleistung verbessert wird. Darüber hinaus binden die dicken, "seilartigen" Fasern die gesamte Elektrode fest zusammen, was ihre Festigkeit und mechanische Stabilität deutlich erhöht und die für Massenproduktionsprozesse erforderliche Haltbarkeit verbessert.
Darüber hinaus hat die Analyse mittels elektrochemischer Reaktions-Widerstands-Kartierung gezeigt, dass alle Bereiche der Elektrode eine schnelle und einheitliche Reaktionskinetik und Widerstandscharakteristik aufweisen. Dies ist ein Schlüsselfaktor für die Minimierung von Energieverlusten während des Batteriebetriebs, die Verhinderung von Leistungseinbußen in bestimmten Bereichen und damit die Verlängerung der Gesamtlebensdauer der Zelle.
Bei Leistungsbewertungen erreichte die vom Forschungsteam entwickelte Trockenelektrode eine hohe Flächenkapazität von 10,1 mAh/cm². Eine Lithium-Metall-Anodenzelle vom Pouch-Typ, die diese Elektrode verwendet, erreichte eine Energiedichte von 349 Wh/kg, etwa 40 % höher als die kommerzieller Elektroden, die etwa 250 Wh/kg betragen. Darüber hinaus erreichte eine Pouch-Zelle mit einer Graphitanode eine Energiedichte von 291 Wh/kg, ein Wert, der etwa 20 % über dem einer Nassprozesszelle unter den gleichen Bedingungen liegt.
Dr. Gyujin Song, der die Forschungsarbeiten leitete, erklärte: "Diese Studie ist insofern von großer Bedeutung, als wir eine originelle Prozesstechnologie entwickelt haben, mit der wir gleichzeitig die beiden zentralen Probleme von Trockenelektroden lösen können: elektrochemische Gleichmäßigkeit und mechanische Haltbarkeit. Wir gehen davon aus, dass sie nicht nur die Kostenwettbewerbsfähigkeit der Sekundärbatterieindustrie verbessern wird, sondern auch für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme (ESS), die eine hohe Energiedichte erfordern, anwendbar sein wird."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Kwon-Hyung Lee, Hyeongseok Shim, Sang Hyun Lee, Hyeong-Jong Kim, Chanhyun Park, Jingyu Choi, Seok-Ju Lee, Young-Kuk Hong, Jihong Lyu, Jin Chul Kim, Sijeong Park, Hyungyeon Cha, Wooyoung Jin, Jinsoo Kim, Sinho Choi, Sang-Young Lee, Sung-Kyun Jung, Michael De Volder, Tae-Hee Kim, Gyujin Song; "Dual-fibrous PTFE structure enabling uniform and thick dry electrodes for high-energy-density and long-lasting batteries"; Energy & Environmental Science, Volume 18, 2025
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Batterietechnik
Die Themenwelt Batterietechnik bündelt relevantes Wissen in einzigartiger Weise. Hier finden Sie alles über Anbieter und deren Produkte, Webinare, Whitepaper, Kataloge und Broschüren.
Themenwelt Batterietechnik
Die Themenwelt Batterietechnik bündelt relevantes Wissen in einzigartiger Weise. Hier finden Sie alles über Anbieter und deren Produkte, Webinare, Whitepaper, Kataloge und Broschüren.