Welche Auswirkungen haben neue negative Materialien auf die Lebensdauer der Akkukapazität?

Ein Team des Japan Institute of Materials Research (NIMS) hat erfolgreich alternierende Materialien aus Manganoxid-Nanopartikeln und Graphen synthetisiert. Als negatives Elektrodenmaterial für wiederaufladbare Lithium- und Natriumionenbatterien kann das Verbundmaterial die Lade- und Entladekapazität der Batterie mehr als doppelt erhöhen und die Lebensdauer verlängern, wodurch das Problem gelöst wird, dass Kapazität und Lebensdauer nicht erreicht werden können.

Hohe Kapazität ist eines der Ziele von Sekundärbatterien. Gegenwärtig verwendet die negative Elektrode Kohlenstoffmaterialien. Theoretisch haben die Übergangsmetalloxide eine hohe Kapazität und werden voraussichtlich Ersatzstoffe für Kohlenstoffmaterialien sein. Insbesondere wird Manganoxid mit einer Schichtstruktur in eine einmolekulare dicke Nanometerschicht abgestreift. Es wird als negative Elektrode verwendet und die Oberfläche ist vollständig aktiv, was die Kapazität erheblich erhöhen kann. Die Schwierigkeit von Manganoxid besteht jedoch darin, dass wiederholtes Laden und Entladen die Struktur leicht zerstören kann und Nanometer auch leicht zu Clustern kondensieren können.

Das Team dispergierte die Manganoxid-Nanopartikel in der Lösung und mischte sie mit Graphen, um mehrere Schichten laminierter Verbundwerkstoffe zu synthetisieren. Sowohl Manganoxid als auch Graphen sind negativ geladen und stoßen sich normalerweise gegenseitig ab. Das Team verwendete bereits 2015 chemisch modifiziertes Graphen, um es positiv zu laden, wodurch das Problem der Zurückweisung gelöst und die maximale Kapazität und maximale Lebensdauer von Metalloxid-negativen Elektrodenmaterialien zu diesem Zeitpunkt erreicht wurde.

Dieses Mal werden durch die Kombination der beiden Substanzen auf molekularer Ebene die hohen Eigenschaften erhalten, die für einzelne Materialien schwer zu erreichen sind. Verbundwerkstoffe werden nicht nur zum Laden von Batterien verwendet, sondern können auch die Leistung von energiespeicher- und -umwandlungssystemen wie Superkondensatoren und Elektrodenkatalysatoren erheblich verbessern.

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