Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben eine leitfähige Polymerbeschichtung – genannt HOS-PFM – entwickelt, die langlebigere, leistungsstärkere Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge ermöglichen könnte.
„Der Fortschritt eröffnet einen neuen Ansatz zur Entwicklung von EV-Batterien, die erschwinglicher und einfacher herzustellen sind“, sagte Gao Liu, ein leitender Wissenschaftler in Energietechnologiebereich des Berkeley Lab der die Entwicklung des Materials leitete.
Die HOS-PFM-Beschichtung leitet gleichzeitig sowohl Elektronen als auch Ionen. Dies gewährleistet Batteriestabilität und hohe Lade-/Entladeraten bei gleichzeitiger Verlängerung der Batterielebensdauer. Die Beschichtung ist auch als Batterieklebstoff vielversprechend, der die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie von durchschnittlich 10 Jahren auf etwa 15 Jahre verlängern könnte, fügte Liu hinzu.
Das leitfähige HOS-PFM-Bindemittel besteht aus einem ungiftigen Polymer, das sich als Reaktion auf Wärme auf atomarer Ebene umwandelt. Vor dem Erhitzen: Bei Raumtemperatur (20 Grad Celsius) begrenzen Alkylendketten (schwarze Wellenlinien) an der PFM-Polymerkette die Bewegung von Lithiumionen (rote Kreise). Nach dem Erhitzen: Beim Erhitzen auf etwa 450 Grad Celsius (842 Grad Fahrenheit) schmelzen die Alkyl-Endketten weg, wodurch freie „klebrige“ Stellen (blaue Wellenlinien) entstehen, die auf atomarer Ebene an Silizium- oder Aluminiummaterialien „greifen“. Die Polymerketten von PFM bauen sich dann selbst zu Spaghetti-ähnlichen Strängen zusammen, die als „hierarchisch geordnete Strukturen“ oder HOS bezeichnet werden. Wie auf einer atomaren Schnellstraße ermöglichen die HOS-PFM-Stränge Lithium-Ionen, mit Elektronen (blaue Kreise) mitzufahren. Diese Lithiumionen und Elektronen bewegen sich synchron entlang der ausgerichteten leitfähigen Polymerketten. (Bildnachweis: Jenny Nuss/Berkeley Lab)
Um die überlegenen Leit- und Hafteigenschaften von HOS-PFM zu demonstrieren, beschichteten Liu und sein Team Aluminium- und Siliziumelektroden mit HOS-PFM und testeten ihre Leistung in einem Lithium-Ionen-Batterieaufbau.
Silizium und Aluminium sind aufgrund ihrer potenziell hohen Energiespeicherkapazität und ihres leichten Profils vielversprechende Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Aber diese billigen und reichlich vorhandenen Materialien nutzen sich nach mehreren Lade-/Entladezyklen schnell ab.
Bei Experimenten an der Erweiterte Lichtquelle und das Molekulare Gießereizeigten die Forscher, dass die HOS-PFM-Beschichtung den Abbau von Elektroden auf Silizium- und Aluminiumbasis während des Batteriezyklus erheblich verhindert und gleichzeitig eine hohe Batteriekapazität über 300 Zyklen liefert, eine Leistungsrate, die mit den heutigen hochmodernen Elektroden vergleichbar ist.
Die Ergebnisse sind beeindruckend, sagte Liu, da Lithium-Ionen-Zellen auf Siliziumbasis typischerweise eine begrenzte Anzahl von Lade-/Entladezyklen und eine begrenzte Lebensdauer haben. Diese Ergebnisse haben die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift beschrieben Energie der Natur.
„Der Fortschritt eröffnet einen neuen Ansatz zur Entwicklung von EV-Batterien, die erschwinglicher und einfacher herzustellen sind.“ — Gao Liu, leitender Wissenschaftler des Berkeley Lab, Bereich Energietechnologien
Die Forscher von Berkeley Lab zeigten, dass die HOS-PFM-Beschichtung den Abbau von Elektroden auf Aluminiumbasis während des Batteriezyklus erheblich verhindert und gleichzeitig eine hohe Batteriekapazität über 300 Zyklen liefert. Von links: Rasterelektronenmikroskopische Bilder von Aluminium auf einem Kupferdoppelschichtgerät vor dem Batteriezyklus (Abbildung A) und danach (Abbildung B). Abbildung C zeigt ein dreischichtiges Kupferelement mit HOS-PFM-Beschichtung nach dem Batteriewechsel. (Kredit: Gao Liu/Berkeley Lab. Mit freundlicher Genehmigung von Nature Energy.)
Die HOS-PFM-Beschichtung könnte die Verwendung von Elektroden ermöglichen, die bis zu 80 % Silizium enthalten. Ein solch hoher Siliziumgehalt könnte die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien um mindestens 30 % erhöhen, sagte Liu. Und weil Silizium billiger sei als Graphit, das heutige Standardmaterial für Elektroden, könnten billigere Batterien die Verfügbarkeit von Elektrofahrzeugen der Einstiegsklasse deutlich erhöhen, fügte er hinzu.
Als nächstes plant das Team, mit Unternehmen zusammenzuarbeiten, um HOS-PFM für die Massenfertigung zu skalieren.
Die Advanced Light Source und Molecular Foundry sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science im Berkeley Lab.
Die Forschung wurde vom DOE Vehicle Technologies Office unterstützt. Zusätzliche Mittel wurden vom Toyota Research Institute bereitgestellt. Die Technologie ist zur Lizenzierung erhältlich, indem Sie sich an [email protected] wenden.
Mit freundlicher Genehmigung von Lawrence Berkeley National Laboratory. Von
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