Skubber litiumionbatterier til det næste ydelsesniveau

Konventionelle lithium -ion -batterier, som dem, der er meget udbredt i smartphones og notebooks, har nået ydelsesgrænser. Materialekemiker Freddy Kleitz fra det kemiske fakultet ved universitetet i Wien og internationale forskere har udviklet et nyt nanostruktureret anodemateriale til litiumionbatterier, som forlænger batteriernes kapacitet og cyklustid. Baseret på et mesoporøst blandet metaloxid i kombination med grafen, materialet kunne give en ny tilgang til, hvordan man bedre udnytter batterier i store enheder såsom elektriske eller hybridbiler. Undersøgelsen er nu blevet offentliggjort som coverhistorie af det aktuelle nummer af Avancerede energimaterialer .

Høj energitæthed, forlænget cykluslevetid og ingen hukommelseseffekt:Lithium -ion -batterier er de mest udbredte energilagringsenheder til mobile enheder samt håb om elektromobilitet. Forskere leder efter nye typer aktivt elektrodemateriale for at skubbe batterierne til det næste niveau med høj ydeevne og holdbarhed, og for at gøre dem bedre brugbare til store enheder. "Nanostrukturerede lithium -ion -batterimaterialer kunne give en god løsning, "siger Freddy Kleitz fra Institut for Uorganisk Kemi - Funktionelle Materialer fra Universitetet i Wien, der sammen med Claudio Gerbaldi, leder af gruppen for anvendte materialer og elektrokemi på Politecnico di Torino, Italien, er undersøgelsens hovedforfatter.

2-D/3-D nanokomposit baseret på et blandet metaloxid og grafen, udviklet af de to forskere og deres teams, forbedrer seriøst den elektrokemiske ydelse af lithium -ion -batterier. "I vores testkørsler, det nye elektrodemateriale gav betydeligt forbedret specifik kapacitet med en hidtil uset reversibel cykelstabilitet over 3, 000 reversible opladnings- og afladningscyklusser selv ved meget høje strømregimer op til 1, 280 milliamperes, "siger afdelingsleder Freddy Kleitz. Dagens litiumionbatterier mister deres ydeevne efter cirka 1, 000 opladningscyklusser.

Ny opskrift

Konventionelle anoder findes ofte af kulstofmateriale, såsom grafit. "Metaloxider har en bedre batterikapacitet end grafit, men de er ganske ustabile og mindre ledende, "forklarer Kleitz. Forskerne fandt en måde at udnytte de positive egenskaber ved begge forbindelser bedst muligt. De udviklede en ny familie af elektrodeaktive materialer, baseret på et blandet metaloxid og det meget ledende og stabiliserende grafen, viser overlegne egenskaber sammenlignet med dem for de fleste overgangsmetaloxid -nanostrukturer og kompositter.

Som et første skridt, baseret på en nydesignet tilberedningsprocedure, forskerne var i stand til at blande kobber og nikkel homogent og under kontrolleret måde for at opnå det blandede metal. Baseret på nanokasting - en metode til fremstilling af mesoporøse materialer - skabte de strukturerede nanoporøse blandede metaloxidpartikler, som på grund af deres omfattende net af porer har et meget højt aktivt reaktionsområde til udveksling med lithiumion fra batteriets elektrolyt. Forskerne anvendte derefter en spraytørringsprocedure for at pakke de blandede metaloxidpartikler tæt sammen med tynde grafenlag.

Enkelt og effektivt design

Brugen af ​​lithium-ion-batterier til e-mobilitet betragtes som problematisk ud fra et miljømæssigt synspunkt, f.eks. på grund af deres råvarekrævende produktion. Små batterier, der kan lagre så meget energi som muligt, holder så længe som muligt og er ikke for omkostningskrævende at fremstille, kan fremme deres brug i store anordninger. "Sammenlignet med eksisterende tilgange, vores innovative ingeniørstrategi for det nye højtydende og langtidsholdbare anodemateriale er enkelt og effektivt. Det er en vandbaseret proces og derfor miljøvenlig og klar til at blive anvendt på industrielt niveau, "konkluderer undersøgelsesforfatterne.