Forscher sagen Materialien für stabile Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Aufzeichnungskapazität voraus

Ein Forschungsteam der Northwestern University hat einen Weg gefunden, neue Batterien mit hoher Aufzeichnungskapazität zu stabilisieren. Basierend auf einer Lithium-Manganoxid-Kathode kann dieser Durchbruch die Lebensdauer von Smartphones und batteriebetriebenen Fahrzeugen um mehr als das Zweifache verlängern.

"Diese Batterieelektrode hat eine der höchsten Kapazitäten erreicht, die jemals bei allen Elektroden auf Übergangsmetalloxidbasis gemeldet wurden, und sie ist derzeit mehr als doppelt so groß wie die Materialkapazität eines Mobiltelefons oder Laptops", sagte Jerome B. Christopher Wolfton. Professor Cohen, Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Northwest McCormick School of Engineering, verantwortlich für die Studie, sagte: "Diese hohe Kapazität wird einen großen Fortschritt bei Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge darstellen."

Die Studie wurde am 14. Mai online bei Science Advances veröffentlicht.

Lithium-Ionen-Batterien transportieren Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Die Kathode besteht aus einer Verbindung, die Lithiumionen, ein Übergangsmetall und Sauerstoff enthält. Das Übergangsmetall (normalerweise Kobalt) speichert und gibt effektiv elektrische Energie ab, wenn es sich von der Anode zur Kathode und zurück bewegt. Die Kapazität der Kathode wird dann durch die Menge der Elektronen in dem an der Reaktion beteiligten Übergangsmetall begrenzt.

Ein französisches Forscherteam berichtete erstmals 2016 über Lithium-Manganoxid-Verbindungen mit großer Kapazität. Durch den Ersatz von traditionellem Kobalt durch billigeres Mangan entwickelte das Team eine billigere Elektrode, deren Kapazität sich mehr als verdoppelte. Dies ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Während der ersten beiden Zyklen sank die Leistung der Batterie erheblich, und die Forscher hielten sie nicht für wirtschaftlich rentabel. Sie verstehen auch die großvolumigen oder abgebauten chemischen Quellen nicht vollständig.

Nach detaillierten Beschreibungen der Atomkarte des Kathodenatoms entdeckte Wolftons Team den Grund für die hohe Kapazität des Materials: Es zwingt Sauerstoff, am Reaktionsprozess teilzunehmen. Zusätzlich zu Übergangsmetallen hat die Batterie eine höhere Fähigkeit, Lithium zu speichern und zu verwenden, indem Sauerstoff zum Speichern und Freisetzen elektrischer Energie verwendet wird.

Als nächstes konzentrierte sich das Northwest-Team auf die Stabilisierung der Batterie, um deren raschen Abbau zu verhindern.

„Mit dem Wissen über den Ladevorgang verwenden wir Hochdurchsatzberechnungen, um das Periodensystem der Elemente zu scannen und neue Wege zu finden, um diese Verbindung mit anderen Elementen zu synthetisieren, die die Batterieleistung verbessern“, sagt ZhenpengYao, der der erste Autor des Papiers ist und ehemaliger Arzt, Studenten der Wolfton Labs.

Die Berechnung identifizierte zwei Elemente: Chrom und Vanadium. Das Team sagt voraus, dass das Mischen der Elemente mit lithiummanganoxid zu einer stabilen Verbindung führen wird, die die hohe Kapazität der Kathode wie nie zuvor beibehält. Als nächstes werden Wolfton und seine Mitarbeiter diese theoretischen Verbindungen im Labor experimentell testen.

Die Studie wurde vom Center for Electrochemical Energy Science unterstützt, einem DE-AC02-06CH11357 Energy Frontier Research Center, das vom Department of Basic Energy Sciences des Science Office des US-Energieministeriums finanziert wird. Yao, ein Postdoktorand an der Harvard University, und SooKim, ein Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology, sind beide ehemalige Mitglieder des Wolfton-Labors und der erste Autor des Papiers.

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