Ein Forschungsteam unter der Leitung von Gao Liu, einem leitenden Wissenschaftler im Bereich Energietechnologien am Lawrence Berkeley Lab, veröffentlichte einen Artikel in der Zeitschrift Naturenergie Kürzlich berichteten sie über eine neue Technologie, die die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien senken und deren Lebensdauer verlängern könnte. Hier ist die Zusammenfassung:
Elektrisch leitfähige Polymere finden zunehmend Anwendung in Geräten zur Energieumwandlung und -speicherung. Beim herkömmlichen Design leitfähiger Polymere werden organische Funktionalitäten über Bottom-up-Syntheseansätze eingeführt, um spezifische Eigenschaften durch Modifikation der einzelnen Polymere zu verbessern. Leider führt die Hinzufügung funktioneller Gruppen zu widersprüchlichen Effekten, was ihre skalierte Synthese und breite Anwendung einschränkt.
Hier zeigen wir ein leitfähiges Polymer mit einfachen Primärbausteinen, das thermisch verarbeitet werden kann, um hierarchisch geordnete Strukturen (HOS) mit wohldefinierten nanokristallinen Morphologien zu entwickeln. Unser Ansatz zum Aufbau permanenter HOS in leitfähigen Polymeren führt zu einer erheblichen Verbesserung der Ladungstransporteigenschaften und der mechanischen Robustheit, die für praktische Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung sind.
Schließlich zeigen wir, dass leitfähige Polymere mit HOS eine außergewöhnliche Zyklenleistung von Vollzellen mit Hochlast-Anoden auf SiOx-Basis im Mikrometerbereich ermöglichen und Flächenkapazitäten von mehr als 3,0 mAh cm-2 über 300 Zyklen und einen durchschnittlichen Coulomb-Wirkungsgrad von >99,95 % liefern. .
„Der Fortschritt eröffnet einen neuen Ansatz für die Entwicklung von EV-Batterien, die erschwinglicher und einfacher herzustellen sind“, sagte Liu. Die große Neuigkeit hierbei ist, dass die sogenannte HOS-PFM-Beschichtung sowohl Elektronen als auch Ionen gleichzeitig leitet, was für Batteriestabilität und hohe Lade-/Entladeraten sorgt und gleichzeitig die Batterielebensdauer verlängert. Die Beschichtung sei auch als Batterieklebstoff vielversprechend, da sie die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie von durchschnittlich 10 Jahren auf etwa 15 Jahre verlängern könne, fügte er hinzu.
Bildnachweis: Jenny Nuss, Berkeley Lab
Dies ist die Überschrift der oben gezeigten Grafik von Berkeley Lab:
„Vor dem Erhitzen: Bei Raumtemperatur (20 Grad Celsius) begrenzen Alkylendketten (schwarze, schnörkelige Linien) an der PFM-Polymerkette die Bewegung von Lithiumionen (rote Kreise).
„Beim Erhitzen auf etwa 450 Grad Celsius (842 Grad Fahrenheit) schmelzen die Alkyl-Endketten und es entstehen freie „klebrige“ Stellen (blaue, verschnörkelte Linien), die sich auf atomarer Ebene an Silizium- oder Aluminiummaterialien „festklammern“. Die Polymerketten von PFM organisieren sich dann selbst zu spaghettiartigen Strängen, die als „hierarchisch geordnete Strukturen“ oder HOS bezeichnet werden.
„Wie eine atomare Schnellstraße ermöglichen die HOS-PFM-Stränge, dass Lithiumionen mit Elektronen mitfahren (blaue Kreise). Diese Lithiumionen und Elektronen bewegen sich synchron entlang der ausgerichteten leitfähigen Polymerketten.“
Bessere Batterien vom Berkeley Lab
Wenn Sie bisher folgen, lesen Sie weiter. 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 leichten Profile vielversprechende Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Diese billigen und reichlich vorhandenen Materialien nutzen sich jedoch nach mehreren Lade-/Entladezyklen schnell ab.
Bei Experimenten an der Advanced Light Source und der Molecular Foundry, die Teil des Lawrence Berkeley Lab sind, zeigten die Forscher, dass die HOS-PFM-Beschichtung die Verschlechterung von Silizium- und Aluminium-basierten Elektroden während des Batteriezyklus erheblich verhindert und gleichzeitig eine hohe Batteriekapazität liefert 300 Zyklen, eine Leistungsrate, die mit heutigen, hochmodernen Elektroden vergleichbar ist.
Die Ergebnisse seien beeindruckend, sagte Liu, da siliziumbasierte Lithium-Ionen-Zellen typischerweise eine begrenzte Anzahl von Lade-/Entladezyklen und eine begrenzte Kalenderlebensdauer durchhalten. Den Forschern gelang der Nachweis, dass die HOS-PFM-Beschichtung die Verschlechterung von Elektroden auf Aluminiumbasis während des Batteriezyklus erheblich verhindert und gleichzeitig eine hohe Batteriekapazität über 300 Zyklen liefert. „Der Fortschritt eröffnet einen neuen Ansatz für die Entwicklung von EV-Batterien, die erschwinglicher und einfacher herzustellen sind“, sagte Gao.
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. Da Silizium darüber hinaus billiger ist als Graphit – das heute das Standardmaterial für Elektroden ist – könnten billigere Batterien die Verfügbarkeit von Elektrofahrzeugen der Einstiegsklasse deutlich erhöhen, fügte er hinzu.
Jetzt beginnt die harte Arbeit
Als nächstes plant das Team, mit Unternehmen zusammenzuarbeiten, um HOS-PFM für die Massenfertigung zu skalieren. Regelmäßige Leser sind sich bewusst, dass es fast täglich zu Batterieausfällen kommt. CATL kündigte diese Woche neue Chemikalien an, die es Batterien ermöglichen, bei kalten Temperaturen besser zu funktionieren. Toyota gibt an, bis 2026 Festkörperbatterien in Produktion zu haben. Das Interesse an Natrium-Ionen-Batterien ist enorm groß, da sie versprechen, auf den Einsatz von Lithium gänzlich zu verzichten.
Das Hauptaugenmerk liegt derzeit weniger auf der Lebensdauer von Batterien – die anfänglichen Befürchtungen vor einem Jahrzehnt, dass Elektrofahrzeugbatterien nach zwei bis drei Jahren ausgetauscht werden müssten, sind verblasst – als vielmehr auf den Kosten und den Umweltauswirkungen des Kobalt- und Lithiumabbaus , Mangan und Nickel wurden für ihre Herstellung benötigt.
Seltsamerweise stellt niemand jemals die Umweltauswirkungen der Förderung von Öl und Methangas unter der Erdoberfläche oder die Folgen des Pumpens von Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre in Frage. Niemand erkennt jemals an, dass Kobalt bei der Raffinierung von Rohöl verwendet wird. Irgendwie ist es für kleine Kinder in der Demokratischen Republik Kongo völlig in Ordnung, Kobalt aus der Erde zu ernten, wenn es zur Herstellung von Benzin oder Kunststoffen verwendet wird, aber nicht, dasselbe zu tun, wenn es zur Herstellung von Batterien verwendet wird. Die Heuchelei der Anhänger fossiler Brennstoffe nimmt kein Ende und ist einfach atemberaubend.
Dennoch ist die Suche nach Batterien mit höherer Energiedichte und geringeren Kosten von entscheidender Bedeutung, wenn die Revolution der Elektrofahrzeuge vollständig zum Erfolg führen soll. In Zukunft muss das Lawrence Berkeley Lab seine Technologie mit mehreren Batterieherstellern teilen, die mit dieser neuen Technologie Prototypenbatterien herstellen werden. Anschließend werden diese Batterien an mehrere Autohersteller geliefert, die sie für Tests unter realen Bedingungen verwenden.
Wenn sie messen sich, Wenn Sie funktionieren wie erwartet und Wenn Wenn sie günstiger sind als die Batterien, die diese Hersteller derzeit verwenden, könnten sie ihren Weg in Serienfahrzeuge finden. Typischerweise bedeuten all diese „Wenns“, dass kommerzielle Anwendungen in etwa fünf Jahren auf sich warten lassen, und das ist das beste Szenario.
Die Erkenntnis aus all dem ist, dass bessere Batterien kommen. Die Batterien von morgen werden leistungsstärker, langlebiger und kostengünstiger sein als alles, was heute erhältlich ist. Die eigentliche Frage ist, ob sie rechtzeitig eintreffen werden, um die Welt endlich davon zu überzeugen, ihre Angewohnheit auf fossile Brennstoffe aufzugeben.
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