Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und der Lebensdauer von Zellen für Anwendungen erneuerbarer Energien.

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Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte mit graphenbeschichteten Kathoden aus Nickel-, Kobalt- und Aluminium-Nanopartikeln.

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), die als Hochleistungsstromquellen für erneuerbare Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Unterhaltungselektronik fungieren, erfordern Elektroden, die eine hohe Energiedichte liefern, ohne die Lebensdauer der Zellen zu beeinträchtigen.

Im Journal of Vacuum Science and Technology A von AIP Publishing untersuchen Forscher die Ursprünge der Degradation von LIB-Kathodenmaterialien mit hoher Energiedichte und entwickeln Strategien zur Abschwächung dieser Degradationsmechanismen und zur Verbesserung der LIB-Leistung.

Ihre Forschungen könnten für viele neue Anwendungen wertvoll sein, insbesondere für Elektrofahrzeuge und Energiespeicherung auf Netzebene für erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne.

“Die meisten Abbaumechanismen bei LIBs treten an den Elektrodenoberflächen auf, die mit dem Elektrolyten in Kontakt sind”, sagte der Autor Mark Hersam. “Wir haben versucht, die Chemie an diesen Oberflächen zu verstehen und dann Strategien zur Minimierung der Degradation zu entwickeln.

Die Forscher setzten die chemische Charakterisierung von Oberflächen als Strategie zur Identifizierung und Minimierung von restlichen Hydroxid- und Karbonatverunreinigungen aus der Synthese von NCA-Nanopartikeln (Nickel, Kobalt, Aluminium) ein. Sie erkannten, dass die LIB-Kathodenoberflächen zunächst durch geeignetes Glühen vorbereitet werden müssen, ein Prozess, bei dem die Kathoden-Nanopartikel erhitzt werden, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, und dann mit einer atomar dünnen Graphenbeschichtung in die gewünschten Strukturen eingeschlossen werden.

Die graphenbeschichteten NCA-Nanopartikel, die zu LIB-Kathoden formuliert wurden, zeigten hervorragende elektrochemische Eigenschaften, darunter niedrige Impedanz, hohe Ratenleistung, hohe volumetrische Energie- und Leistungsdichten und lange Zykluslebensdauern. Die Graphenbeschichtung wirkte auch als Barriere zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Elektrolyten, was die Lebensdauer der Zelle weiter verbesserte.

Die Forscher waren zwar der Meinung, dass die Graphenbeschichtung allein ausreichen würde, um die Leistung zu verbessern, aber ihre Ergebnisse zeigten, wie wichtig es ist, die Kathodenmaterialien vor dem Aufbringen der Graphenbeschichtung vorzutempern, um ihre Oberflächenchemie zu optimieren.

Während sich diese Arbeit auf nickelreiche LIB-Kathoden konzentrierte, konnte die Methodik auf andere Energiespeicherelektroden verallgemeinert werden, wie z.B. Natrium-Ionen- oder Magnesium-Ionen-Batterien, die nanostrukturierte Materialien mit großer Oberfläche enthalten. Folglich stellt diese Arbeit einen klaren Weg für die Realisierung von hochleistungsfähigen, auf Nanopartikeln basierenden Energiespeichervorrichtungen dar.

“Unser Ansatz kann auch zur Verbesserung der Leistung von Anoden in LIBs und verwandten Energiespeichertechnologien angewandt werden”, sagte Hersam. “Letztendlich müssen sowohl die Anode als auch die Kathode optimiert werden, um die bestmögliche Batterieleistung zu erreichen”, so Hersam.

Referenz: “Verbesserung von nanostrukturierten nickelreichen Lithium-Ionen-Batteriekathoden durch Oberflächenstabilisierung” von Jin-Myoung Lim, Norman S. Luu, Kyu-Young Park, Mark T. Z. Tan, Sungkyu Kim, Julia R. Downing, Kai He, Vinayak P. Dravid und Mark C. Hersam, 24. November 2020, Journal of Vacuum Science & Technology A.
DOI: 10. 10.1116/6.0000580.

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