Forscher entwickeln Strategien zur Minderung des Kathodenabbaus und zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), die als leistungsstarke Energiequellen für erneuerbare Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Unterhaltungselektronik dienen, benötigen Elektroden, die eine hohe Energiedichte bieten, ohne die Batterielebensdauer zu beeinträchtigen. Laut Berichten ausländischer Medien untersuchen Forscher von Institutionen wie der Northwestern University die Ursachen für den Verfall von hochenergetischen LIB-Batteriekathodenmaterialien und entwickeln Strategien zur Abschwächung von Degradationsmechanismen zur Verbesserung der LIB-Batterieleistung.

Diese Forschung könnte für viele aufkommende Anwendungen von Wert sein, insbesondere für Elektrofahrzeuge und energiespeicherfähige Anwendungen im Netzmaßstab für erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie.

Der Forscher Mark Hersam erklärte: "Die meisten Abbaumechanismen in LIB-Batterien finden auf den Elektrodenoberflächen statt, die mit dem Elektrolyten in Kontakt stehen. Wir versuchen, die chemischen Reaktionen auf diesen Oberflächen zu verstehen und dann Strategien zu entwickeln, um den Abbaugrad zu minimieren."

Wichtiger Ansatz: Reinigung von NCA-Kathodenoberflächen

Die Forscher nutzten oberflächenchemische Eigenschaften, um während der Synthese von NCA-(Nickel-, Kobalt-, Aluminium-)Nanopartikeln verbleibende Hydroxid- und Karbonatverunreinigungen zu identifizieren und zu reduzieren. Sie stellten fest, dass bei der Vorbereitung der LIB-Kathodenoberfläche zunächst notwendig ist, sie angemessen zu anglühen, die Kathodennanopartikel zu erhitzen, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, und sie dann durch eine atomar dünne Graphenbeschichtung in die gewünschte Struktur zu fixieren.

Leistungsvorteile von graphenbeschichteten Kathoden

In LIB-Batterien zeigen Kathoden aus NCA-Nanopartikeln, die mit Graphen beschichtet sind, eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung, darunter niedrige Impedanz, hohe Geschwindigkeit, hohe volumetrische Energie- und Leistungsdichte sowie eine lange Lebensdauer des Zyklus. Die Graphenbeschichtung wirkt außerdem als Barriere zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Elektrolyten, was die Lebensdauer der Batterie weiter verlängert.

Die Forscher gingen zunächst davon aus, dass allein die Verwendung der Graphenbeschichtung ausreichen würde, um die Leistung zu verbessern. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass das Voranglühen des Kathodenmaterials zur Optimierung der Oberflächenchemie vor dem Auftragen der Graphenbeschichtung entscheidend ist.

Derzeit konzentriert sich diese Arbeit hauptsächlich auf nickelreiche LIB-Kathoden. Diese Methode kann auch auf andere Arten von Energiespeicherelektroden ausgeweitet werden, wie etwa Natrium-Ionen- oder Magnesium-Ionen-Batterien mit hoher spezifischer Oberfläche-Nanostruktur, was den Weg für die Entwicklung leistungsstarker, nanopartikelbasierter Energiespeichergeräte ebnet.