Amerikanische Wissenschaftler verwenden Selbstheilungstechnologie, um langlebigere Lithium-Ionen-Batterien zu bauen

Universität von Illinois (Universität von Illinois); UI) -Forscher haben herausgefunden, dass mit einer Methode, mit der Selbstheilungstechnologien auf Lithium-Ionen-Batterien angewendet werden können, zuverlässige und langlebigere Batterien hergestellt werden können.

Forscher haben einen neuen Batterietyp entwickelt, der Silizium-Nanopartikel-Verbundwerkstoffe auf der negativen Seite der Batterie verwendet und die Verbundwerkstoffe auf neuartige Weise bindet - ein Problem, das Siliziumzellen innewohnt.

Nancy Sottos, Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität von Illinois, und Scott White, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik, leiteten das Forschungsteam und veröffentlichten die Studie im Journal of Advanced Energy Materials.

Nancy Sottos, Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität von Illinois, und Scott White, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik, leiteten das Forschungsteam bei der Entwicklung von Silizium-Nanopartikeln, die für Batterieanoden verwendet werden können und voraussichtlich zur Herstellung weiterer verwendet werden zuverlässige und langlebige Batterien.

"Für selbstheilende Materialien ist diese Forschung ziemlich neu, da sie auf Materialien angewendet werden kann, die Energie speichern", sagte White. "Dies ist eine völlig andere Art von Ziel. Neben der Wiederherstellung der strukturellen Leistung kann auch der energiespeicher geheilt werden."

In Lithium-Ionen-Batterien, mit denen tragbare Geräte oder Elektrofahrzeuge betrieben werden, bestehen negativ geladene Elektroden oder Anoden normalerweise aus Graphitpartikel-Verbundwerkstoffen. Diese Batterien funktionieren gut, aber es dauert lange, bis sie eingeschaltet sind. Mit fortschreitender Zeit entspricht die Ladedauer der neuen Batterie.

"Silizium hat eine sehr hohe Kapazität, und diese hohe Kapazität ermöglicht es Ihnen, mehr Energie aus der Batterie zu gewinnen, aber aufgrund des Batteriezyklus und seiner Selbstbestäubung erfährt es auch eine starke Expansion."

Frühere Studien haben gezeigt, dass Batterieanoden aus nanometergroßen Siliziumpartikeln sich weniger wahrscheinlich zersetzen, aber es gibt andere Probleme.

"Der akku wird kontinuierlich ein-, zwei-, dreimal bis zum endgültigen Kapazitätsverlust geladen und entladen, da die Siliziumpartikel beginnen, sich vom Bindemittel zu lösen", sagte White. ""

Um dieses Problem zu lösen, verbesserte das Forscherteam die Siliziumanode weiter, indem es ihr die Möglichkeit gab, sich selbst zu reparieren. Dieses Selbstheilungsphänomen tritt durch die reversible chemische Bindung zwischen Siliziumnanopartikeln und Polymerklebstoffen auf.

"Dieser dynamische Wiederverbindungsprozess hält Siliziumpartikel im Wesentlichen mit Polymerklebstoffen zusammen und verbessert so die Langzeitleistung der Elektrode erheblich", sagte Sottos.

Die Forscher testeten neue Batterien, die keine reversiblen chemischen Bindungen verwendeten, und stellten fest, dass sie auch nach 400 Ladezyklen 80% ihrer ursprünglichen Kapazität beibehalten konnten.

Diese Batterien haben auch eine höhere Energiedichte, was bedeutet, dass sie mehr Strom speichern als Graphitanodenbatterien derselben Größe.

"Je höher die Energiedichte, desto besser. Eine weitere Option ist das Hinzufügen von mehr Batterien. Dies erhöht jedoch das Gewicht, insbesondere da Elektroautos mit solchen Problemen konfrontiert sind", sagte Sottos.

Zukünftige Forschungen werden beinhalten, wie diese Selbstheilungstechnik mit Festkörperbatterien funktioniert, sagten die Forscher. Wissenschaftler werden aufgefordert, bei jüngsten Unfällen, bei denen sich Lithium-Ionen-Batterieflüssigkeiten spontan entzündet oder sogar explodiert haben, in diese Richtung zu schauen.

Das Forschungsprojekt wird vom Center for Electrochemical Energy Science gefördert, einem fortschrittlichen Energieforschungszentrum, das vom Office of Science and Basic Energy Science des US-Energieministeriums finanziert wird.

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