Forschung -

Schnelleres Aufladen und bessere Leistung von Lithium-Ionen-Batterien

Die Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie, die in wenigen Minuten aufgeladen werden kann, aber dennoch mit hoher Kapazität arbeitet, ist durchaus möglich, so die Forschung des 'Rensselaer Polytechnic Institute'.

Diese Entwicklung hat das Potenzial, die Batterieleistung für die Unterhaltungselektronik, Solarstromnetzspeicher und Elektrofahrzeuge zu verbessern. Der Forschungsbericht erschien in "Nature Communications".

Eine Lithium-Ionen-Batterie lädt und entlädt sich, wenn sich Lithiumionen zwischen zwei Elektroden bewegen, die als Anode und Kathode bezeichnet werden. In einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie besteht die Anode aus Grafit, während die Kathode aus Lithium-Kobalt-Oxid hergestellt wird.

Diese Materialien funktionieren gut zusammen, weshalb Lithium-Ionen-Batterien immer beliebter werden, aber die Forscher von Rensselaer glauben, dass die Funktion noch weiter verbessert werden kann.

"Der Weg, Batterien besser zu machen, führt über die Verbesserung der Elektrodenmaterialien", sagte Professor Nikhil Koratkar, Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt und Nukleartechnik bei Rensselaer und korrespondierender Autor des Berichtes. "Wir versuchen, die Lithium-Ionen-Technologie noch leistungsfähiger zu machen."

Koratkars umfangreiche Forschung in den Bereichen Nanotechnologie und Energiespeicherung hat ihn zu einem der meistzitierten Forscher der Welt gemacht. In dieser jüngsten Arbeit verbesserten Koratkar und sein Team die Batterieperformance, indem sie das Kobaltoxid durch Vanadiumdisulfid (VS2) ersetzten.

"Es ergibt eine höhere Energiedichte, weil es leicht ist. Und es bietet eine schnellere Ladefähigkeit, da es sehr leitfähig ist. Aus dieser Sicht haben wir uns von diesem Material angezogen gefühlt", sagte Koratkar, der auch Professor am "Department of Materials Science and Engineering" ist.

Die Begeisterung über das Potenzial von VS2 ist in den letzten Jahren gewachsen, aber bis jetzt, so Koratkar, waren die Forscher durch seine Instabilität herausgefordert worden - eine Eigenschaft, die zu einer kurzen Akkulaufzeit führen würde. Die Rensselaer-Forscher fanden nicht nur heraus, warum diese Instabilität auftrat, sondern entwickelten auch eine entsprechende Lösung.

Das interdisziplinäre Team, zu dem auch Professor Vincent Meunier, Leiter der Abteilung Physik, Angewandte Physik und Astronomie, und andere Experten gehörten, stellte fest, dass die Lithium-Insertion eine Asymmetrie im Abstand zwischen den Vanadiumatomen verursachte, die als Peierls-Verzerrung bekannt ist und für den Zerfall der VS2-Flocken verantwortlich war.

Sie entdeckten, dass die Abdeckung der Flocken mit einer Nanobeschichtung aus Titandisulfid (TiS2) - einem Material, das die Peierls-Verzerrung nicht aufweist - die VS2-Flocken stabilisiert und ihre Leistung innerhalb der Batterie verbessern würde.

"Das war neu. Die Leute hatten nicht erkannt, dass dies die zugrunde liegende Ursache war", sagte Koratkar. "Die TiS2-Beschichtung wirkt wie ein Puffer. Es hält das VS2-Material zusammen und bietet eine mechanische Unterstützung."

Als dieses Problem gelöst war, stellte das Team fest, dass die VS2-TiS2-Elektroden mit einer hohen spezifischen Kapazität arbeiten oder viel Ladung pro Masseneinheit speichern konnten.

Koratkar sagte, dass Vanadium und Schwefel aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts eine hohe Kapazität und Energiedichte bieten. Ihre geringe Größe würde auch zu einer kompakten Batterie beitragen.

Als das Laden schneller erfolgte, sagte Koratkar, sank die Kapazität nicht so stark ab wie so oft bei anderen Elektroden. Die Elektroden konnten eine angemessene Kapazität aufrechterhalten, da das VS2-TiS2-Material im Gegensatz zu Kobaltoxid elektrisch leitfähig ist.

Koratkar sieht mehrere Anwendungen für diese Entdeckung in der Verbesserung von Autobatterien, der Energie für tragbare Elektronik und für Solarenergiespeicher, wo hohe Kapazitäten wichtig sind, aber auch eine höhere Ladegeschwindigkeit attraktiv wäre.

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