Forscher zeigen, dass inhärente Lithiumionen in biologisch gewonnenem Boratpolymer die „extrem schnelle Ladefähigkeit“ in Graphitanoden verbessern
Ishikawa, Japan – Die heutige Gesellschaft wechselt massenhaft von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Ressourcen und elektrischen Batterien. Trotz der Dringlichkeit, auf umweltfreundlichere Methoden umzusteigen, stellen zentrale Herausforderungen in Bezug auf Effizienz und Nachhaltigkeit eine Hürde dar, die es zu überwinden gilt. Beispielsweise wird die Massenmarktakzeptanz von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) zur Verwendung in Elektrofahrzeugen durch ihre langsamen Ladegeschwindigkeiten behindert. „Extreme“ Schnellladung (wobei 80 % der Batterie innerhalb von 10 Minuten aufgeladen sind), hohe Energiedichte und Zyklenlebensdauer sind der „heilige Gral“ der Eigenschaften, nach denen die Automobilindustrie bei Batterien sucht.
Um die Schnellladefähigkeit in Batterien zu ermöglichen, haben Forscher lange versucht, den Stoffaustausch von Elektrolyten und den Ladungstransfer in Elektroden zu verbessern, wobei erstere im Vergleich zu letzteren umfassend erforscht wurden. Nun zeigt eine Studie eines Forscherteams unter der Leitung von Professor Noriyoshi Matsumi vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) einen neuen Ansatz zur Erleichterung des schnellen Aufladens unter Verwendung eines Bindematerials, das die Li-Ionen-Interkalation von aktivem Material fördert. Das Bindematerial führt zu einer verbesserten Diffusion von desolvatisierten Li-Ionen über die Festelektrolytgrenzfläche (SEI) und innerhalb des Anodenmaterials und ergibt eine hohe Leitfähigkeit, eine niedrige Impedanz und eine gute Stabilität.
Das Team bestand aus dem ehemaligen Senior Lecturer Rajashekar Badam, der Postdoktorandin Anusha Pradhan, dem ehemaligen Doktoranden Ryoya Miyairi und dem Doktoranden Noriyuki Takamori von JAIST. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Materialbriefe.
Bildtitel: Eigenschaften und Funktionen des Bio-Polyelektrolytbinders. Bildunterschrift: Um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, synthetisierte eine Gruppe von Forschern des Japan Advanced Institute of Science and Technology ein wässriges Polyelektrolyt-Bindemittel vom Lithiumborat-Typ für Graphitanoden. Ihr neuer Binder trug dazu bei, die Li-Ionen-Diffusion zu verbessern und die Impedanz im Vergleich zu herkömmlichen Batterien zu senken. Bildnachweis: Noriyoshi Matsumi aus JAIST.
„Unsere aktuelle Strategie, ein biologisch gewonnenes Lithiumborat-Polymer als wässriges Polyelektrolyt-Bindemittel zu verwenden, um die Ladungsübertragung innerhalb von Elektroden wie Graphitanoden zu verbessern, weist eine schnelle Ladefähigkeit auf“, erklären die entsprechenden Autoren Profs. Matsumi und Badam von JAIST.
Während sich die meisten Forschungen zu Batterien auf das Design aktiver Materialien und einen verbesserten Stoffaustausch von Elektrolyten konzentrieren, bietet die aktuelle Studie einen anderen Ansatz über das Design eines spezifischen Bindematerials, das die Lithium-Ionen-Interkalation des aktiven Materials fördert. „Das Bindematerial enthält hochgradig dissoziierbares Lithiumborat, das die Lithium-Ionen-Diffusion in den Anodenmatrizen verbessert. Außerdem kann dieser Binder eine Organobor-SEI bilden, die im Vergleich zu gewöhnlichen Batteriezellen einen sehr geringen Grenzflächenwiderstand aufweist“, erklärt Prof. Matsumi.
Die Rolle von Borverbindungen (wie dem vierfach koordinierten Bor im Binder und dem borreichen SEI) besteht darin, die Desolvatation von Li+-Ionen zu unterstützen, indem sie die Aktivierungsenergie der Desolvatation von Li+ aus der Lösungsmittelhülle an der SEI verringern. Außerdem wird bei hoher Diffusion und niedriger Impedanz das mit der Ladungsübertragung an der Grenzfläche verbundene Überpotential reduziert. „Dies ist einer der wichtigsten Bestimmungsfaktoren für extrem schnelles Laden“, erklärt Dr. Anusha Pradhan von JAIST, die Erstautorin des Artikels.
Wenn das Aufladen die Interkalationsrate übersteigt, tritt im Allgemeinen eine Li-Plattierung auf Graphitelektroden auf. Dies ist ein unerwünschter Prozess, der zu einer verkürzten Batterielebensdauer und einer eingeschränkten Schnellladefähigkeit führt. In dieser Studie begrenzt die verbesserte Diffusion von Ionen durch die SEI und innerhalb der Elektroden die Konzentrationspolarisation von Li+-Ionen – was dazu führt, dass Graphit nicht abgeschieden wird.
Die Forscher stellen in ihrer Studie nicht nur eine neuartige Strategie für extrem schnell aufladbare Batterien und reduzierten Grenzflächenwiderstand vor, sondern nutzten auch ein von Kaffeesäure abgeleitetes Biopolymer. Kaffeesäure ist eine pflanzliche organische Verbindung und eine nachhaltige und umweltfreundliche Materialquelle. Während der Markt für diese Batterien also enorm wächst, wird die Verwendung biobasierter Ressourcen in diesen Batterien auch die Kohlendioxidemissionen reduzieren.
Prof. Matsumi betont die Schlüsselfähigkeiten der in dieser Studie verwendeten Struktur und fügt hinzu: „In zukünftigen Studien kann unser Bindemittel auch mit hochgradig aufladbaren aktiven Materialien kombiniert werden, um einen weiteren synergistischen Effekt bei der Leistungssteigerung zu ermöglichen.“
Mit der zunehmenden Erforschung der Batterieleistung kann man sich bald auf umweltfreundlichere Optionen für die Art und Weise freuen, wie wir Energie nutzen, insbesondere im Transportsektor. „Durch die Hochgeschwindigkeits-Akkutechnologie werden die Menschen Freude an Elektrofahrzeugen und praktischen Mobilgeräten haben. Denn die Nutzung erneuerbarer Ressourcen wird die Verfügbarkeit von Produkten lange aufrechterhalten, unabhängig von der Verfügbarkeit fossiler Ressourcen und Einflüssen durch hohe soziale Situationen“, schließt Prof. Matsumi.
Mit freundlicher Genehmigung von Japanisches Fortgeschrittenes Institut für Wissenschaft und Technologie (JAIST) & ACS-Veröffentlichungen
Vollständige bibliographische Angaben:
- Titel: Extrem schnelle Ladefähigkeit in einer Graphitanode über ein biobasiertes Polymer vom Lithiumborat-Typ als wässriges Polyelektrolyt-Bindemittel
- Autoren: Anusha Pradhan, Rajashekar Badam*, Ryoya Miyairi, Noriyuki Takamori und Noriyoshi Matsumi*
- Zeitschrift: ACS Materials Letters
- DOI: 10.1021/acsmaterialslett.2c00999
Informationen zur Förderung: Diese Arbeit wurde vom Strategic Innovation Promotion Program (SIP) Technologies for Smart Bio-Industry and Agriculture, Japan, unterstützt.
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