Verbesserte Kapazität von Li-Ionen-Batterien durch Nanokomposite
Li-Ionen-Batterie – Foto © Solarify
Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Kapazität, langen Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit als Energiespeicher hauptsächlich in Elektrofahrzeugen und elektronischen Geräten eingesetzt. Um den wachsenden Energiebedarf zu decken, müssen diese Batterien dringend verbessert werden. Eine Methode zur Verbesserung der Leistung von Li-Ionen-Batterien bestehe darin, alternative Negativ- oder Anodenmaterialien, einschließlich Übergangsmetalloxide, zu entwickeln und das herkömmliche Anodenmaterial Graphit zu ersetzen, schreiben saudi-arabische Forscher am 10.01.2019 in nature scientific reports. Im Forschungszentrum Jülich hat man schon im Juni 2018 mit antimondotierten Zinnoxid-(ATO)/Graphen-Hybrid-Nanokompositen Erfolge erzielt (siehe: onlinelibrary.wiley.com).
Der Chemiker Edreese Alsharaeh und seine Kollegen berichten im Abstract über ein Mikrowellenbestrahlungsverfahren zur Herstellung von Co3O4-Nanokompositen auf Basis von reduziertem Graphenoxid (RGO) als Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Die Nanokomposite Co3O4/RGO zeigten im Vergleich zu reinem Co3O4 gutes elektrochemisches Verhalten als anodische Materialien für Li-Ionen-Batterien. Die Nanokomposite Co3O4/RGO mit niedrigem RGO-Gehalt führten zu einer stabilen elektrochemischen Leistung mit 100% Coulomb-Effizienz bei hoher Stromdichte von 500 mA/g über 50 Zyklen. Die verbesserte Kapazität der Co3O4/RGO-Nanokompositen ist auf die Einarbeitung von RGO zurückzuführen, was zu einer viermal größeren Oberfläche führte. Diese vergrößerte Oberfläche könnte die Absorption von mehr Lithiumionen erleichtern, was zu einer hervorragenden elektrochemischen Leistung führt. „Interessanterweise ist die Neuheit dieser Arbeit, dass die entworfenen Li-Ionen-Batterien auch bei einer hohen Temperatur von 100 °C eine stabile elektrochemische Leistung zeigten, was für wiederaufladbare Batterieanwendungen in einem weiten Temperaturbereich nützlich sein könnte“.
Das herkömmliche Anodenmaterial Graphit weist eine theoretische Kapazität von nur 372 mAh/g auf. Derzeit haben Übergangsmetalloxide als anodische Materialien für den Einsatz in Li-Ionen-Batterien aufgrund ihrer überlegenen theoretischen Kapazität von etwa dem Dreifachen des kommerziellen Graphits (mit einer Kapazität von 372 mAh/g) große Aufmerksamkeit erlangt, was diese Materialien zu guten Kandidaten für Energiespeichersysteme macht. Unter den Übergangsmetalloxiden ist Co3O4 aufgrund seiner hohen theoretischen Kapazität (890 mAh/g) das am häufigsten verwendete Anodenmaterial.
Im Allgemeinen wurden Kobaltoxide, die binäre Oxide wie CoO, Co2O3 und Co3O4 beinhalten, für Anwendungen in Li-Ionen-Batterien umfassend untersucht. Co3O4 lässt sich jedoch leichter synthetisieren als die beiden anderen, da es aus verschiedenen Kobaltsalzen durch Erwärmen an der Luft auf 300 bis 400 °C hergestellt werden kann. Eine Einschränkung der Co3O4-Nanopartikel als anodisches Material für Li-Ionen-Batterien besteht jedoch darin, dass sie aufgrund der Volumenausdehnung/Kontraktion und Agglomeration der Co3O4-Nanopartikel eine schlechte Zyklenfestigkeit und einen irreversiblen Kapazitätsverlust aufweisen.
Eine Möglichkeit, die oben genannten Probleme zu lösen, besteht darin, Co3O4-Nanopartikel mit Kohlenstoff zu synthetisieren, wie beispielsweise Graphen, das auch die Leitfähigkeit von Co3O4 verbessern kann. Graphen hat eine hohe Oberfläche, gute mechanische Eigenschaften und eine hohe elektrische Leitfähigkeit, was zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von Metalloxiden beiträgt.
Über viele synthetische Routen zur Herstellung von Co3O4-Nanopartikeln wurde schon berichtet, wie etwa Co-Präzipitation, hydrothermale Synthese, thermische Zersetzung und Reduktion. In situ-Reduktion von Kobaltsalz in Gegenwart von Graphenoxid wird üblicherweise zur Herstellung von Co3O4/RGO-Nanokompositen durchgeführt. Die strukturellen Eigenschaften eines Materials, zu denen auch die Porosität und die Oberfläche gehören, beeinflussen stark seine Leistung als Elektrode in Li-Ionen-Batterien, was es schwierig macht, Elektrodenmaterialien zu entwickeln.
Im Gegensatz zu den oben genannten konventionellen Synthesemethoden können mikrowellengestützte Techniken von Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien eine einfache, schnelle und groß angelegte Synthese von Nanomaterialien sowie steuerbare Parameter und Energiespareigenschaften ermöglichen. Bei der Mikrowellenbestrahlungstechnik erfolgt die Erwärmung über zwei Mechanismen, nämlich Polarisation und Leitfähigkeit. Beim Polarisationsprozess werden die Materialien direkt durch Strahlung erwärmt, und die Strahlung oder das externe elektrische Feld interagiert mit den polaren Molekülen, die ein Dipolmoment besitzen und durch Rotation zur Neuorientierung gezwungen werden, was zu Kollisionen und Wärmeentwicklung führt. Um jedoch Wärme zu erzeugen, muss eine Substanz ein Dipolmoment besitzen, wie beispielsweise ein Wassermolekül, da externe elektrische Felder empfindlich auf Dipole reagieren. Im Leitungsmechanismus wird Wärme durch die Kollision von Ionen in der Probe mit den benachbarten Atomen oder Molekülen erzeugt.
Sun et al. führten 2015 eine Umfrage über die Wirkung der Mikrowellenbestrahlung und die Größe und Form von graphenbasierten Nanokompositen auf ihre elektrochemischen Eigenschaften durch. Von den verschiedenen Morphologien sind graphenbasierte 2D-Übergangsmetalloxide eine günstige Morphologie, da sie bei der Erleichterung der Li-Ionen-Diffusion und anderen helfen. Die Mikrowellenbestrahlung ist günstig für das 2D-Wachstum anorganischer Nanokristalle. Viele Forschungsgruppen haben bereits über die Anwendung von graphenbasierten Co3O4-Nanokompositen als anodische Materialien in Li-Ionen-Batterien berichtet, und in den meisten der publizierten Studien zeigten die entwickelten Li-Ionen-Batterien hohe spezifische Kapazität und stabile Leistung nur bei hohem RGO-Gehalt und niedrigen Stromdichten bei Raumtemperatur oder in einem engen Betriebstemperaturbereich. Um das Problem des engen Betriebstemperaturbereichs von Li-Ionen-Batterien zu überwinden, wurden in dieser Studie Co3O4/RGO-Nanokomposite mit niedrigem RGO-Gehalt durch eine mikrowellengestützte Lösungsroute hergestellt und für Hochtemperatur-Akkus mit hoher elektrochemischer Leistung und guter thermischer Stabilität verwendet.
Folgt: FZ Jülich: Nanokomposit-Material könnte Speicherkapazität, Lebensdauer und Ladegeschwindigkeit erhöhen