Anwendung von Manganmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien

Amerikanische Forscher haben eine Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die Mangan als negatives Elektrodenmaterial anstelle des herkömmlichen Kobalt- oder Nickelmaterials verwendet. Diese Arbeit bietet eine kostengünstige und reichhaltige Alternative zu diesen zunehmend teuren und begrenzten Ressourcen und bietet eine Möglichkeit, die schnell wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Energiespeichern zu befriedigen.

Die meisten Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien hängen von Kobalt oder Nickel ab, da sie dazu neigen, die Struktur geschichtet und geordnet zu halten. 2014 zeigte ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) unter der Leitung von GerbrandCeder, dass Lithium-Ionen-Batterien mit ungeordneten Strukturen funktionieren können, solange sie reich an Lithium sind, neue ausprobieren können und vielleicht sogar besser Materialien. .

Ceder und Kollegen von der University of California und dem Lawrence Berkeley National Laboratory haben jetzt Lithium-Ionen-Batterien mit ungeordneten Anoden auf Manganbasis entwickelt und gezeigt, dass sie mehr Energie speichern können als Kobalt oder Nickel. "Unsere Idee ist, dass wir, wenn wir eine negative Elektrode herstellen können und uns nicht um Delaminierung kümmern, eine größere Auswahl an Metallen verwenden können", sagte Jinhyuk Lee, der Hauptautor des Massachusetts Institute of Technology. "Wir haben uns für Mangan entschieden, weil es eines der billigsten Metalle ist."

Mangan wurde in herkömmlichen gestuften Lithium-Ionen-Batterieanoden verwendet, aber als stabiles Metall ist fast kein elektronischer Speicher beteiligt. In jüngster Zeit waren Versuche, die negative Elektrode vollständig aus ungeordnetem Mangan und anderen Metalloxiden herzustellen, begrenzt, da sie instabil werden, wenn sich Lithiumionen während des Ladens von der negativen Elektrode zur Anode auf Lithiumbasis bewegen, und aufgrund übermäßiger Redoxaktivität und Kapazitätsverlust.

Um diese Aktivität zu reduzieren und Manganoxidanoden mit hoher Kapazität zu erhalten, fand Ceders Team einen Weg, Mangan gegen zwei Elektronen auszutauschen, was mit einer Anode auf Nickelbasis mit hoher Kapazität anstelle einer durchgeführt wurde. Dies beinhaltet die Verringerung der Manganvalenz auf Mn2 +, indem einige der Oxyanionen durch niedrigvalente Fluoridanionen ersetzt werden, während einige der Mangankationen durch hochvalente Cer- und Titanionen ausgetauscht werden. Dies bedeutet, dass Manganionen eine doppelte Redoxreaktion von Mn2 + bis Mn4 + eingehen können, wodurch sich die meisten Lithiumionen von der negativen Elektrode zur positiven Lithiumelektrode bewegen können, ohne instabil zu werden.

" Unsere Ergebnisse im Labormaßstab [Batteriezyklustest] zeigen, dass unsere negative Elektrode eine höhere Energiedichte (1000 Wh / kg) aufweist als die vorhandene negative Elektrode (600-700 Wh / kg)", sagte Ceder. "Da unsere Daten jedoch noch nicht den kommerziellen Maßstab erreicht haben, sollten unsere Materialien weiter getestet und optimiert werden."

„ Obwohl praktische Anwendungen weitere Verbesserungen der Zyklusstabilität erfordern, ist die berichtete Strategie vielversprechend und kann für eine Vielzahl hochpreisiger Kationen eingehend untersucht werden“, kommentierte GlebYushin, der den Energiespeicher des Georgia Institute of Technology untersuchte. "Die Notwendigkeit, die Batteriespannung auf ein sehr niedriges Niveau zu reduzieren, kann Hindernisse für die gemeldete Technologie darstellen, die auf elektronische Geräte angewendet wird. Dies ist jedoch kein großes Problem für Automobilanwendungen."

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