Kohlenstoffnanoröhren könnten Lithium-Ionen-Batterien revolutionieren, sagten die Forscher

Lithium-Ionen-Batterien sind mittlerweile zu einem wichtigen energiespeicher geworden, von Mobiltelefonen bis hin zu Elektrofahrzeugen. Untersuchungen zeigen nun, wie sie umweltfreundlicher und leistungsfähiger gemacht werden können. Ein Team indischer Wissenschaftler der University of Clemson in den USA verwendete Kohlenstoffnanoröhren und eliminierte die Notwendigkeit toxischer organischer Lösungsmittel in herkömmlichen Batterien.

"Lithium-Ionen-Batterieelektroden werden traditionell unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln hergestellt, die als N-Methylpyrrolidon oder NMP bezeichnet werden. NMP wird verwendet, weil es mit mit Batteriematerialien beschichteter Aluminiumfolie sehr gut kompatibel ist", erklärte Lakshman Ventragrada, der Hauptautor von ACS Omega. "NMP ist teuer und giftig. Tatsächlich verwendet jede Produktionseinheit normalerweise ein Lösungsmittelrückgewinnungssystem, das mehr als 1 Million US-Dollar für die Rückgewinnung des NMP kostet. Unser Ziel ist es, NMP durch Wasser zu ersetzen und eine bessere Batterieleistung zu erzielen."

Obwohl zuvor Wasser als Lösungsmittel verwendet wurde, führt die hohe Oberflächenspannung häufig dazu, dass die Batterieelektrode im trockenen Zustand von der unteren Aluminiumfolie getrennt wird. Das Team verwendete vertikal angeordnete Kohlenstoffnanoröhrenwälder (atomar dicker Kohlenstoff, der in Zylinder gerollt wurde), um Aluminiumfolie zu beschichten, um eine kavernöse Kapillarwirkung zu erzielen.

Nanoröhrenwald

"Der Kohlenstoffnanoröhrenwald ist nur 10 bis 30 Mikrometer lang und kann vertikal auf Aluminium angeordnet werden. Wir können Kohlenstoffnanoröhren bei niedrigen Temperaturen direkt auf Aluminiumfolie unter Verwendung eines speziellen chemischen Aufrollverfahrens für Curling-Chemikalien züchten", erklärt Professor Ramakrishna Podila, eine Assistenzprofessorin der Physik an der Clemson University und die Autoren der entsprechenden Arbeit. Nanoröhren können auch auf Aluminium gesprüht werden. Diese mit Nanoröhren beschichtete Aluminiumfolie kann direkt in bestehende Produktionseinheiten für Lithium-Ionen-Batterien integriert werden, da sie keine Änderungen an vorhandenen Geräten vornehmen müssen, außer Lösungsmittel durch Wasser zu ersetzen. ""

Das Team verwendete dann ein lithiumaktives Material namens lithiumeisenphosphat oder LFP, um es mit dem Klebstoff in Wasser zu mischen und eine Batterieelektrode auf der mit Kohlenstoffnanoröhren beschichteten Aluminiumfolie herzustellen. Der Klebstoff hilft dem aktiven Material, fest an der Folie darunter zu haften.

Batterieleistung und Leistung

Während des Ladevorgangs übertragen Lithium-Ionen-Batterien auf der einen Seite Lithium-Ionen von Lithium-aktiven Materialien und fangen sie auf der anderen Seite in Graphitelektroden ein. Während der Entladung verlassen Lithiumionen Graphit und kehren zu Stromversorgungsgeräten für Lithium-Ionen-Aktivmaterial wie Mobiltelefonen oder Laptops zurück. Die Leistung der Batterie wird an zwei Dingen gemessen: Energie und Energie.

Die Energie ist proportional zur Gesamtmenge an Elektrizität, der die Batterie standhalten kann, dh der Menge der eingefangenen Lithiumionen, und die Leistung hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der Lithiumionen in der Batterie übertragen werden können. Der Bedarf an Stunden sind Hochleistungs- und Hochenergiebatterien.

Hohe Entladerate

Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erwärmt das Hochladen mit hoher Leistung die Elektrode und zerstört das Polymerbindemittel, wodurch das lithiumaktive Material an der Aluminiumfolie haften bleibt. Dies ist eine der häufigsten Arten von Batterieausfällen und kann keine hohe Leistung erzielen, ohne die Gesamtenergie der Batterie zu beschädigen. Die neue Batterie des Teams hält jedoch hoher Energie stand (600 mA / g oder 500 Mal in 15 Minuten) und hat eine um mindestens 35-50% höhere Energiedichte.

"Unser skalierbarer Ansatz für Nanoröhren hat die Kosten erheblich gesenkt. Darüber hinaus wird Wasser verwendet, um die Umweltfreundlichkeit zu verbessern. Da Kohlenstoff leicht ist, erhöht er nicht die Qualität der Batterie", fügte Podila hinzu. "Wir hoffen, dass dies dazu führen wird billigere und bessere Lithium-Ionen-Batterien in der Zukunft. "

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