Forschung -

Graphenbälle verbessern Batterien - keine Dendriten mehr

Batterien auf der Basis von Lithiummetall können die Batterieindustrie nachhaltig beeinflussen. Mit der theoretisch extrem hohen Kapazität des Lithiummetalls könnte dieser Batterietyp sehr vielseitig eingesetzt werden - von der Mobilelektronik bis hin zu Fahrzeugen.

"In den heutigen Batterien wird Lithium gewöhnlich atomar in einem anderen Material verteilt, wie zum Beispiel in Anoden aus Grafit oder Silizium," sagte Professor Jiaxing Huang von der Abteilung 'Materials Science and Engineering' der Northwestern University.

"Aber die Verwendung eines weiteren Materials 'verwässert' doch nur die Performance der Batterie. Lithium ist bereits ein Metall. Warum sollte man dann nicht nur das Lithium einsetzen?"

Die Antwort auf diese Frage ist eine Forschungsherausforderung für Wissenschaftler, die bereits Jahre an dieser Antwort arbeiten und forschen.

Sobald Lithium in einer Batterie geladen und entladen wird, beginnt es mit dem Wachstum von Dendriten und Fasern, die laut Huang zahlreiche Probleme verursachen.

Huang: "Im besten Fall führt das Dendritenwachstum zu einer schnellen Verschlechterung der Batterieperformance. Es kann aber auch sein, dass die Batterie einen Kurzschluss verursacht oder sogar Feuer fängt."

Eine aktuelle Lösung für die Vermeidung der destruktiven Dendriten durch Lithium ist die Verwendung eines porösen Gerüstes aus Kohlenstoffmaterialien, auf denen sich Lithium bevorzugt ablagert.

Sobald die Batterie dann geladen wird, kann sich Lithium entlang der Gerüstoberfläche ablagern, wodurch der Dendritenwachstum verhindert wird. Dadurch wird aber ein neues Problem geschaffen.

Denn wenn sich das Lithium während der Batteriezyklen auf dem porösen Gerüst ablagert und wieder auflöst, variiert das Volumen des Lithiums erheblich. Diese Volumenveränderungen verursachen mechanischen Stress, der das poröse Gerüst aufbrechen könnte.

Huang und seine Mitarbeiter lösten dieses Problem durch einen anderen Ansatz, der die Batterie sogar noch leichter macht und diese dann noch mehr Lithium aufnehmen kann.

Die bestechende Lösung ist ein Gerüst aus zerknüllten Graphenbällen, die sich leicht stapeln und aufgrund ihrer Papierballform ein poröses Gerüst bilden.

Die Graphenbälle verhindern nicht nur den Wuchs der Dendriten, sondern sie überstehen auch die Volumenfluktuationen des Lithiums. Der Forschungsbericht erschien in "Joule".

"Eine allgemeine Philosophie bei der Herstellung von etwas, das hohen Stress aushalten soll, ist, es so stark zu machen, dass es nicht gebrochen werden kann," sagte Huang.

"Unsere Strategie basiert aber auf einer entgegengesetzten Idee. Statt es unbrechbar zu gestalten, besteht unser Gerüst aus locker gestapelten Partikeln, die sich leicht umschichten können."

Vor sechs Jahren entdeckte Huang zerknüllte Graphenbälle - neuartige ultrakleine Partikel, die zerknüllten Papierbällen ähneln. Huang stellte die Partikel durch Zerstäuben einer Dispersion aus Graphenblättern in winzigen Wassertropfen her.

Sobald die Wassertropfen verdampfen, erzeugen sie eine Kapillarkraft, die die Blätter in winzige Papierbälle zerknüllt.

In dem neuen Batterietyp akzeptiert das Gerüst aus zerknüllten Graphenbällen im Verlauf der Batteriezyklen die Fluktuationen des Lithiums zwischen der Anode und der Kathode.

Wenn sich das Lithium ablagert, bewegen sich die Bälle auseinander und sammeln sich wieder zusammen, wenn das Lithium entleert wird.

Da die winzigen Papierbälle leitend sind und die Lithiumionen damit schnell auf der Oberfläche fließen können, bildet das Gerüst für das Lithium ein permanent leitendes, dynamisches und poröses Netz.

"Die eng verpackten und zerknüllten Graphenbälle funktionieren wie ein sehr gleichförmiger, kontinuierlicher Feststoff," sagte der Chemieprofessor Jiayan Luo von der Tianjin University in China.

"Wir konnten auch noch feststellen, dass sich die zerknüllten Graphenbälle nicht anhäufen, sondern recht gut gleichmäßig verteilt sind."

Im Vergleich zu Batterien, die Grafit als Gastmaterial in der Anode verwenden, ist die Lösung von Professor Huang wesentlich leichter und kann während der Batteriezyklen eine höhere Lithiumlast stabilisieren.

Während typische Batterien Lithium ummanteln, das nur wenige zehn Mikron dünn ist, befindet sich in der Huang-Batterie gestapeltes Lithium mit einer Höhe von 150 Mikron.

Huang und seine Kollegen beantragten ein vorläufiges Patent durch das Innovation and New Ventures Office (INVO) der Northwestern University.

Dieses Forschungsprojekt wurde unterstützt durch die National Natural Science Foundation of China, die Natural Science Foundation of Tianjin, China, dem State Key Laboratory of Chemical Engineering, China und dem Office of Naval Research, USA.

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