Eine einfache Möglichkeit, die Batteriespeicherung zu steigern

Lithium-Ionen-Batterieelektroden, die durch ein neues hochleitfähiges Material miteinander verbunden sind, haben eine viel größere Speicherkapazität – eine Entwicklung, die die Reichweite von Elektroautos und die Lebensdauer von Smartphone-Batterien erhöhen könnte, ohne deren Kosten zu erhöhen. Im Gegensatz zu vielen Hochleistungselektroden, die in den letzten Jahren entwickelt wurden, können diese mit den Geräten hergestellt werden, die heute in Batteriefabriken bereits vorhanden sind.

Batteriebinder: Dieses Mikroskopiebild zeigt eine Siliziumelektrode vor dem Laden (links) und nach 32 Zyklen. Ein neues Bindemittel hält die Partikel dicht beieinander.

Der Schlüssel ist ein dehnbares, hochleitfähiges Polymerbindemittel, das verwendet werden kann, um Silizium, Zinn und andere Materialien zusammenzuhalten, die viel Energie speichern können, aber normalerweise instabil sind. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory haben dieses neue Polymerbindemittel sorgfältig konstruiert und daraus eine Siliziumanode für eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie mit einer um 30 Prozent höheren Speicherkapazität als heute auf dem Markt hergestellt. Es ist auch im Laufe der Zeit stabiler als zuvor entwickelte Elektroden.



Beim Laden eines Lithium-Ionen-Akkus werden Lithium-Ionen von einer der Elektroden, der sogenannten Anode, aufgenommen. Je mehr Lithium die Anode aufnehmen kann, desto mehr Energie kann die Batterie speichern. Silizium ist eines der vielversprechendsten Anodenmaterialien: Es kann zehnmal mehr Lithium speichern als Graphit, aus dem die Anoden der heute auf dem Markt befindlichen Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden. Graphit saugt Lithium wie ein Schwamm auf und behält seine Form, aber Silizium ist eher wie ein Ballon, sagt Gao Liu , ein Forscher der Environmental Energy Technologies Division des Berkeley Lab.

Da die Siliziumanoden jedoch anschwellen und schrumpfen und ihr Volumen beim Laden und Entladen um das Drei- oder Vierfache ändern, lässt die Kapazität der Batterie mit der Zeit nach. Nach einigen Lade- und Entladungsrunden berühren sich die Siliziumpartikel ziemlich schnell nicht mehr, was bedeutet, dass die Anode keinen Strom leiten kann, sagt Liu.

Ein Ansatz zur Lösung des Problems besteht darin, diese Anoden auf ganz andere Weise zu strukturieren, zum Beispiel durch das Wachsen von zottigen Arrays von Silizium-Nanodrähten, die sich beim Ein- und Austritt von Lithium biegen, anschwellen und bewegen können. Dieser Ansatz wird von Amprius, einem Startup in Palo Alto, Kalifornien, kommerzialisiert. Das Wachsen von Nanodrähten erfordert jedoch neue Prozesse, die normalerweise in der Batterieherstellung nicht verwendet werden.

Die heutigen Anoden werden durch Lackieren einer lösungsmittelbasierten Aufschlämmung von Graphitpartikeln hergestellt, die mit einem Bindemittel zusammengehalten werden, ein einfacher Prozess, der die Kosten niedrig hält. Die Berkeley-Forscher glauben, dass der Schlüssel zur Herstellung neuer Batteriematerialien wie Silizium darin besteht, bei diesem Herstellungsprozess zu bleiben. Das bedeutete, ein gummiartiges Bindemittel zu entwickeln, das an Siliziumpartikeln haftet, in der rauen Umgebung der Anode hochleitfähig bleibt und sich dehnt und zusammenzieht, wenn die Anode anschwillt und entleert.

Die meisten Arbeiten an fortschrittlichen Batterien haben sich auf die aktiven Materialien konzentriert, aber wir haben diese Materialien bis an ihre Grenzen getrieben, sagt Yury Gogotsi , Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Universität Drexel. Was uns jetzt einschränkt, sind die Bindemittel.

Liu las Papiere über Silikon-Batteriebinder und stellte fest, dass Forscher fatale Fehler machten – beispielsweise bei der Auswahl von Polymeren, die ihre Leitfähigkeit unter den Bedingungen einer Anode verlieren. Er arbeitete mit theoretischen Chemikern zusammen, um eine Liste von Polymeren mit den richtigen elektrischen Eigenschaften für diese Aufgabe zu erstellen. Sobald sie einen gefunden hatten, änderten sie ihn, um ihn viel klebriger zu machen. Nachdem sie dieses neue Material entwickelt und charakterisiert hatten, konnten sie mit herkömmlichen Verfahren Siliziumanoden herstellen und in Batterien testen.

Die Anoden der Berkeley-Gruppe wurden in über 650 Ladezyklen getestet. Sie behalten eine Speicherkapazität von 1.400 Milliamperestunden pro Gramm bei – viel mehr als die etwa 300, die von herkömmlichen Anoden gespeichert werden. Vollbatterien mit Anoden speichern etwa 30 Prozent mehr Gesamtenergie als eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie. Normalerweise steigt die Batteriekapazität um etwa 5 Prozent pro Jahr, bemerkt Liu. Er sagt, dass sie das Bindemittel in anderen Batterieanoden getestet haben, einschließlich solcher aus Zinn, die ein ähnliches Potenzial und ähnliche Probleme haben und dass es für solche Materialien funktionieren sollte.

Die Speicherkapazität dieser Batterien ist fast so gut wie die aus reinen Silizium-Nanodrähten ohne Bindemittel, sagt Yi Cui , Professor für Materialwissenschaften und -technik in Stanford und einer der Gründer von Amprius. Das ist beeindruckend, sagt er, wenn man bedenkt, dass das Bindemittel kein Lithium speichert.

Lius Gruppe arbeitet nun mit Forschern von 3M an der Anodenforschung zusammen. 3M steigert die Produktion von siliziumbasierten Batteriematerialien, die so konzipiert sind, dass sie sich während des Ladevorgangs nicht so stark ausdehnen, sagt Kevin Eberman, der Produkte für Batteriematerialien bei . entwickelt 3M Elektronik in St. Paul, Minnesota. Aber damit sie funktionieren, ist ein gutes Bindemittel der Schlüssel. Das Unternehmen stellt der Berkeley-Gruppe Material zum Testen zur Verfügung. Liu sagt, die Berkeley-Gruppe habe die Bindemittel patentieren lassen und sei in Gesprächen mit einigen Unternehmen über Möglichkeiten, sie zu kommerzialisieren.

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