Forschung -

Lithium-Ionen-Batterien mit erheblich höherer Kapazität

Chemiker der University of Alberta haben einen entscheidenden Schritt in Richtung einer neuen Generation von siliziumbasierten Lithium-Ionen-Batterien getan, die gegenüber aktuellen Batterieversionen eine 10-fache Ladekapazität bieten können.

"Wir wollten testen, wie verschiedene Größen von Silizium-Nanopartikeln die Fraktur innerhalb dieser Batterien beeinflussen können", sagte Jillian Buriak, Chemikerin der University of Alberta und "Canada Research Chair in Nanomaterials for Energy".

Silizium verspricht Batterien mit viel höherer Kapazität, da es reichlich vorhanden ist und viel mehr Lithium aufnehmen kann als der Grafit, der in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Das Problem ist, dass Silizium nach zahlreichen Lade- und Entladezyklen zum Zerbrechen neigt, weil es sich ausdehnt und zusammenzieht, während es Lithiumionen aufnimmt und wieder freisetzt.

Aktuelle Forschungen zeigen, dass die Umwandlung von Silizium in Nanopartikel dazu beiträgt, dass es nicht bricht. Was Buriak und ihr Team wissen wollten, war, wie groß diese Strukturen sein müssen, um die Vorteile von Silizium zu maximieren und gleichzeitig die Nachteile zu minimieren.

Die Forscher untersuchten vier verschiedene Silizium-Nanopartikelgrößen, die gleichmäßig in hochleitfähigen Graphen-Aerogeln aus Kohlenstoff mit Nanoporen verteilt waren, um die geringe Leitfähigkeit von Silizium auszugleichen.

Sie fanden heraus, dass die kleinsten Partikel - nur drei milliardstel Meter im Durchmesser - nach vielen Lade- und Entladezyklen die beste Langzeitstabilität zeigten.

"Da die Partikel kleiner werden, haben wir festgestellt, dass sie besser in der Lage sind, die Belastung zu bewältigen, die entsteht, wenn das Silizium beim Zyklus mit Lithium sozusagen 'atmet' ", erklärte Buriak.

Diese Forschung findet potenzielle Anwendungen in "allem, was auf Energiespeicherung mithilfe einer Batterie basiert", sagte Veinot, der Direktor des ATUMS Graduiertenausbildungsprogramms ist, das die Forschung teilweise unterstützt.

"Man stelle sich ein Auto mit der gleichen Batteriegröße wie ein Tesla vor, das 10-mal weiter reisen könnte, oder man lädt 10-mal weniger häufig, oder die Batterie ist 10-mal leichter."

Veinot sagte, die nächsten Schritte seien die Entwicklung einer schnelleren und kostengünstigeren Methode zur Herstellung von Silizium-Nanopartikeln, um sie für Industrie- und Technologieentwickler besser zugänglich zu machen.

Die Studie "Size and Surface Effects of Silicon Nanocrystals in Graphene Aerogel Composite Anodes for Lithium Ion Batteries" wurde in "Chemistry of Materials" veröffentlicht. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03198

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