In der nächsten Generation von Lithiumbatterien wird ein neuer Typ bleibasierter Anode zum Einsatz kommen

Lithium-Ionen-Batterien versorgen alle Geräte mit Strom, vom Smartphone über Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen. Wissenschaftler auf der ganzen Welt suchen nach neuen und verbesserten Komponenten, um bessere Batterien für diese und andere Anwendungen herzustellen.

Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben über eine neue Elektrode berichtet, die für Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung kostengünstiger Materialien wie Blei und Kohlenstoff entwickelt wurde. Zu den Mitwirkenden an dieser wichtigen Entdeckung gehören auch Wissenschaftler der Northwestern University, des Brookhaven National Laboratory und des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, Chefautor und Materialwissenschaftler für chemische Wissenschaft und Technik (CSE) an der Argonne University, erklärte: „Unsere Forschung hat spannende Auswirkungen auf die Entwicklung kostengünstiger, leistungsstarker und nachhaltiger Lithium-Ionen-Batterien, die Hybridantrieb mit Strom versorgen können.“ und alle Elektrofahrzeuge.

Das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, beim Laden Lithiumionen in die Anode einzubringen und beim Entladen wieder zu entfernen. Die aktuelle Graphitanode kann Tausende solcher Lade-Entlade-Zyklen durchlaufen, scheint aber hinsichtlich der Energiespeicherkapazität an ihre Grenzen gestoßen zu sein.

Lee sagte: „Wir haben uns entschieden, Blei als Ersatz für Graphit als Anodenmaterial zu untersuchen. Blei ist besonders attraktiv, weil es sowohl billig als auch kostengünstig ist. Darüber hinaus ist es auf die lange Geschichte von Blei-Säure-Batterien zurückzuführen, die Autos mit Hilfsenergie versorgen.“ Es verfügt über eine vollständige Lieferkette und ist eines der am häufigsten recycelten Materialien der Welt. In den Vereinigten Staaten beträgt die aktuelle Bleirückgewinnungsrate 99 %.

Li fügte hinzu: „Unsere neue Anode kann eine neue Einnahmequelle für die große Industrie darstellen, die sich derzeit mit der Herstellung und dem Recycling von Blei-Säure-Batterien beschäftigt.“

Die Anode des Teams ist keine gewöhnliche Bleiplatte, sondern unzählige mikroskopisch kleine Partikel mit komplexen Strukturen: Blei-Nanopartikel, eingebettet in eine Kohlenstoffmatrix und umgeben von einer dünnen Hülle aus Bleioxid. Obwohl diese Struktur komplex klingt, hat das Team eine einfache, kostengünstige Herstellungsmethode erfunden.

„Unsere Methode besteht darin, große Bleioxidpartikel mit Kohlenstoffpulver zu mischen und mehrere Stunden lang zu oszillieren, bis mikroskopisch kleine Partikel mit der gewünschten Kern-Schale-Struktur entstehen“, erklärte Christopher Johnson, der Hauptforscher des Projekts und herausragender Forscher an der Argonne, CSE.

Tests, die in Laborbatterien mit über 100 Lade-Entlade-Zyklen durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Energiespeicherkapazität der neuen Nanokompositanode auf Bleibasis doppelt so hoch ist wie die der aktuellen Graphitanode (standardisiert für das gleiche Gewicht). Eine stabile Leistung während des Zyklenvorgangs ist möglich, da kleine Partikelgrößen Stress abbauen können, während die Kohlenstoffmatrix für die erforderliche Leitfähigkeit sorgt und als Puffer fungiert, um Schäden an der Volumenausdehnung während des Zyklenvorgangs zu verhindern. Das Forschungsteam fand außerdem heraus, dass die Zugabe einer kleinen Menge Fluorethylcarbonat zum Standardelektrolyten die Leistung deutlich verbessert.

Forscher untersuchten die Lade- und Entlademechanismen der Anode im GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS), das von der University of Chicago betrieben wird und sich in Argona befindet, dem DOE Science User Facility Office. Durch Synchrotron-Röntgenbeugung können sie den Phasenübergang negativer Elektrodenmaterialien beim Laden und Entladen verfolgen. Diese Charakterisierungsergebnisse zeigen in Kombination mit den vom Atomic and Nanoscale Characterization Center der Northwestern University und der DOE User Facility National Synchrotron Light Source II in Brookhaven gesammelten Ergebnissen die elektrochemischen Reaktionen, die zwischen Blei- und Lithiumionen während des Ladens und Entladens auftreten bisher unbekannt.

Lee sagte: „Diese grundlegende Erkenntnis könnte für das Verständnis des Reaktionsmechanismus zwischen Blei- und Siliziumanoden wichtig sein.“

Eine Siliziumanode ist eine weitere kostengünstige und leistungsstarke Wahl für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien.

Johnson sagte: „Unsere Entdeckung stellt das derzeitige Verständnis dieses Elektrodenmaterials in Frage.“ Unsere Entdeckung bietet auch spannende Implikationen für die Entwicklung kostengünstiger, leistungsstarker Anodenmaterialien für den Transport und die feste Energiespeicherung, beispielsweise als Notstromquellen für das Stromnetz. "

Der Artikel des Teams wurde in der kürzlich erschienenen Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.