Aus Japan: Schnelle und langlebige Batterien in Sicht

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Vielversprechendes Anodenmaterial aus biobasierten Polymeren

Um die langsamen Ladezeiten herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien zu überwinden, haben Wissenschaftler des Japan Advanced Institute of Science and Technology laut einer Medienmitteilung vom 22.12.2021 ein neues Anodenmaterial entwickelt, das eine ultraschnelle Aufladung ermöglicht. Das neuartige Material wird in einem einfachen, umweltfreundlichen und effizienten Verfahren hergestellt, bei dem ein biobasiertes Polymer gebrannt wird, und behält auch nach Tausenden von Zyklen den Großteil seiner ursprünglichen Kapazität. Die Ergebnisse dieser Studie werden den Weg zu schnell aufladbaren und langlebigen Batterien für Elektrofahrzeuge ebnen.

Herkömmliche Batterien – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Angesichts der Sorge um den Klimawandel konzentrieren sich immer mehr Forscher auf die Verbesserung von Elektrofahrzeugen, um sie zu einer attraktiveren Alternative zu herkömmlichen Benzinautos zu machen. Die Verbesserung der Batterien von E-Fahrzeugen ist ein Schlüsselthema, um mehr Fahrer anzuziehen. Neben Sicherheit, Autonomie und Haltbarkeit wünschen sich die meisten Menschen auch eine schnelle Aufladung. Gegenwärtig dauert das Aufladen bei modernen Elektroautos 40 Minuten, während Gasautos in höchstens fünf Minuten aufgeladen werden können. Die Ladezeit muss unter 15 Minuten liegen, um eine praktikable Option zu sein.

Eine Möglichkeit, die Ladezeit von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) zu verkürzen, besteht darin, die Diffusionsrate der Lithiumionen zu erhöhen, was wiederum durch eine Vergrößerung des Zwischenschichtabstands in den kohlenstoffbasierten Materialien, die in der Anode der Batterie verwendet werden, erreicht werden kann. Während dies mit einigem Erfolg durch das Einbringen von Stickstoffverunreinigungen (technisch als „Stickstoffdotierung“ bezeichnet) erreicht wurde, gibt es keine einfach verfügbare Methode zur Kontrolle des Zwischenschichtabstands oder zur Konzentration des Dotierungselements.

Vor diesem Hintergrund hat ein JAIST-Wissenschaftler-Team einen Ansatz für die Anodenherstellung entwickelt, der zu einer extrem schnellen Aufladung von LIBs führen könnte. Das Team unter Leitung von Prof. Noriyoshi Matsumi besteht aus Prof. Tatsuo Kaneko, Senior Lecturer Rajashekar Badam, JAIST Technical Specialist Koichi Higashimine, JAIST Research Fellow Yueying Peng und JAIST Studentin Kottisa Sumala Patnaik. Ihre Ergebnisse wurden am 24.11.2021 online in Chemical Communications veröffentlicht.

Ihre Strategie stellt einen relativ einfachen, umweltfreundlichen und hocheffizienten Weg zur Herstellung einer Anode auf Kohlenstoffbasis mit sehr hohem Stickstoffgehalt dar. Das Vorläufermaterial für die Anode ist Poly(benzimidazol), ein biobasiertes Polymer, das aus Rohstoffen biologischen Ursprungs synthetisiert werden kann. Durch Brannen dieses thermisch stabilen Materials bei 800 °C gelang es dem Team, eine Kohlenstoffanode mit einem rekordverdächtigen Stickstoffgehalt von 17 % des Gewichts herzustellen. Sie überprüften die erfolgreiche Synthese dieses Materials und strukturellen Eigenschaften mit einer Reihe von Techniken, darunter Rasterelektronen-Tunnelmikroskopie, Raman-Spektroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie.

Um die Leistung ihrer Anode zu testen und sie mit dem gebräuchlicheren Graphit zu vergleichen, bauten die Forscher Halbzellen und Vollzellen und führten Lade-Entlade-Experimente durch. Die Ergebnisse waren vielversprechend, denn das vorgeschlagene Anodenmaterial erwies sich dank seiner verbesserten Lithium-Ionen-Kinetik als geeignet für Schnellladungen. Darüber hinaus zeigten Haltbarkeitstests, dass die Batterien mit dem vorgeschlagenen Anodenmaterial selbst nach 3.000 Lade-Entlade-Zyklen bei hohen Raten etwa 90 % ihrer ursprünglichen Kapazität beibehielten, was deutlich mehr ist als die Kapazität, die von Zellen auf Graphitbasis beibehalten wird.

Professor Matsumi freut sich über die Ergebnisse: „Die extrem schnelle Ladegeschwindigkeit des von uns entwickelten Anodenmaterials könnte es für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet machen. Deutlich kürzere Ladezeiten werden hoffentlich dazu führen, dass sich die Verbraucher eher für Elektroautos als für benzinbetriebene Fahrzeuge entscheiden, was letztlich zu einer saubereren Umwelt in allen Großstädten der Welt führen wird.“

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil des vorgeschlagenen Anodenmaterials ist die Verwendung eines biobasierten Polymers für seine Synthese. Als kohlenstoffarme Technologie führt das Material natürlich zu einem Synergieeffekt, der die CO2-Emissionen weiter reduziert. Darüber hinaus, so Professor Matsumi, „wird die Anwendung unseres Ansatzes die Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bei Anodenmaterialien mit schnellen Lade-Entlade-Fähigkeiten voranbringen.“

Änderungen an der Struktur des Polymervorläufers könnten zu einer noch besseren Leistung führen, was nicht nur für die Batterien von Elektrofahrzeugen, sondern auch für tragbare Elektronikgeräte von Bedeutung sein könnte. Und schließlich wird die Entwicklung hochgradig haltbarer Batterien den weltweiten Verbrauch an seltenen Metallen, die nicht erneuerbare Ressourcen sind, verringern.

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