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Jun 01, 2023

Forscher erzeugen ein Hoch

Die Welt bewegt sich schnell in eine neue Ära der verstärkten Betonung grüner Technologien. Diese Technologien erfordern eine praktischere und genauere Forschung und Entwicklung (F&E), um dem wachsenden Bedarf gerecht zu werden

Die Welt bewegt sich schnell in eine neue Ära der verstärkten Betonung grüner Technologien. Diese Technologien erfordern eine praktischere und genauere Forschung und Entwicklung (F&E), um den wachsenden Anforderungen an Energiespeichersysteme gerecht zu werden. Jüngste Fortschritte haben zu effizienteren Lithium-Ionen-Batterien geführt; Dennoch bestehen nach wie vor erhebliche Mängel. Eine dieser Herausforderungen ist die Notwendigkeit eines schnelleren Ladens, was dazu beitragen kann, die Einführung von Elektrofahrzeugen zu beschleunigen.

Nun hat ein Forschungsteam unter der Leitung der Boise State University und der University of California San Diego mithilfe der Ressourcen des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) ein Hochleistungsmaterial für Batterieelektroden entwickelt, das ein viel schnelleres Laden ermöglichen könnte Lithiumbatterien. Es verspricht, den Ladevorgang zu beschleunigen und gleichzeitig eine hervorragende Speicherkapazität bereitzustellen.

Während der Zyklus von Lithiumbatterien bewegen sich Lithiumionen von der positiven Elektrode (Kathode) zur negativen Elektrode (Anode), die üblicherweise aus Graphit besteht. Bei höheren Ladegeschwindigkeiten neigt Lithiummetall dazu, sich auf der Graphitoberfläche anzusammeln. Die sogenannte Lithiumbeschichtung beeinträchtigt die Leistung der Batterie und kann zu einem Kurzschluss, einer Überhitzung oder sogar einem Brand führen.

Forscher versuchten, dieses Hindernis auf dem Weg zu schnellerem Laden mithilfe einer Verbindung namens Niobpentoxid mit einer neuartigen Kristallstruktur zu beseitigen. Niobpentoxid ist viel weniger anfällig für Plattierungen, was es möglicherweise sicherer und haltbarer als Graphit macht. Seine Atome können leicht in vielen stabilen Konfigurationen angeordnet werden, für deren Neukonfiguration nicht viel Energie erforderlich ist. Dies bietet Forschern die Möglichkeit, neue Strukturen zu entdecken, die die Batterieleistung verbessern könnten.

Für ihre Studie bauten die Forscher eine Knopfzelle mit Niobpentoxid als Elektrodenmaterial. Niobpentoxid hatte von Anfang an eine chaotische, ungeordnete Anordnung der Atome. Das Team stellte jedoch fest, dass sich die ungeordnete Struktur in eine geordnete, kristalline Struktur umwandelte, wenn die Zelle mehrmals geladen und entladen wurde.

Die als kubisches Steinsalzgerüst beschriebene Kristallstruktur ermöglichte einen einfacheren und schnelleren Transport von Lithiumionen in die Anode während des Ladens. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Material eine schnelle Aufladung verspricht, und andere Messungen deuten darauf hin, dass es große Ladungsmengen speichern kann. Es weist eine hervorragende Zyklenstabilität mit einer Kapazität von 225 mAh g−1 bei 200 mA g−1 für 400 Zyklen und einem Coulomb-Wirkungsgrad von 99,93 % auf.

Es ist sehr schwierig, hochleistungsfähiges, kristallines Niobpentoxid mit herkömmlichen Synthesemethoden herzustellen, beispielsweise solchen, bei denen Materialien Hitze und Druck ausgesetzt werden. Der in dieser Studie erfolgreich eingesetzte unkonventionelle Syntheseansatz – das Laden und Entladen einer Batteriezelle – könnte auf die Herstellung anderer innovativer Batteriematerialien angewendet werden. Es könnte möglicherweise sogar die Herstellung neuartiger Materialien in anderen Bereichen wie Halbleitern und Katalysatoren unterstützen.

Zeitschriftenreferenz: