Forschungserfolg könnte Lithium-Ionen-Batterien „allgegenwärtig machen“

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JAIST: „Aufladung einer grünen Zukunft“

Wissenschaftler des Japan Advanced Institute of Science and Technology fügten der Siliziumanode von Lithium-Ionen-Batterien einen speziellen Polymerverbundstoff hinzu, der die Lebensdauer der Batterien erheblich verlängerte – so eine Medienmitteilung vom 03.05.2022. Das ermöglicht den Einsatz von wesentlich leistungsfähigeren und längerlebigen LIB und verändert die Zukunft der  angetriebenen Geräte.

Batterien aktuell – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Energiedichte und ihrer Fähigkeit, dreimal so viel Strom zu liefern wie andere Akku-Arten, sind Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zum vorherrschenden Batterietyp geworden, sowohl bei elektronischen Geräten mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. Mobiltelefonen, als auch bei Hochleistungsanwendungen, wie Elektrofahrzeugen und Energiespeichern.

Eine typische Lithium-Ionen-Batterie besteht heute aus einer positiven Elektrode (Kathode) aus einer lithiumhaltigen Verbindung, einer negativen Elektrode (Anode) aus Graphit und einem Elektrolyt – der Schicht zwischen den Elektroden, durch welche die Ionen fließen. Wenn eine Batterie geladen wird, fließen Lithiumionen von der Kathode zur Anode, wo sie gespeichert werden. Während des Entladevorgangs wird das Lithium ionisiert und fließt zurück zur Kathode.

In letzter Zeit wächst das Interesse an der Verwendung von Silizium als Anodenmaterial, da es häufiger vorkommt, daher billig ist und eine höhere theoretische Entladekapazität als Graphit hat. Es hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Durch wiederholtes Laden und Entladen dehnen sich die Siliziumpartikel aus und brechen. Dies führt zur Bildung einer dicken Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) zwischen dem Elektrolyten und der Anode, die die Bewegung der Lithiumionen zwischen den Elektroden behindert.

Um die Leistung von Siliziumanoden in LIB zu verbessern, hat ein Team unter der Leitung von Professor Noriyoshi Matsumi, dem auch Agman Gupta und Senior Lecturer Rajashekar Badam vom JAIST angehören, ein Bindemittel für die Siliziumpartikel entwickelt, das ihre Stabilität verbessern und eine dünne SEI-Schicht erhalten kann. Im Gegensatz zu einer dicken SEI-Schicht ist eine dünne SEI-Schicht von Vorteil, da sie verhindert, dass Anode und Elektrolyt spontan miteinander reagieren. Die Ergebnisse der Studie sind in ACS Applied Energy Materials veröffentlicht.

Das Bindemittel ist ein Polymerkomposit, das aus einem n-leitenden Polymer Poly(bisiminoacenaphthenchinon) (P-BIAN) und einem carboxylathaltigen Polymer Poly(acrylsäure) (PAA) besteht, die beide über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Die zusammengesetzte Polymerstruktur hält die Siliziumteilchen wie ein Netz zusammen und verhindert, dass sie zerbrechen. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden Polymeren ermöglichen die Selbstreparatur der Struktur, da sich die Polymere wieder verbinden können, wenn sie an irgendeiner Stelle abreißen. Außerdem verbessert die n-Dotierung von P-BIAN die Leitfähigkeit der Anode und sorgt für eine dünne SEI, indem sie die elektrolytische Zersetzung des Elektrolyten auf der Anode begrenzt.

Um das Bindemittel zu testen, konstruierten die Forscher eine anodische Halbzelle, die aus Siliziumnanopartikeln mit Graphit (Si/C), dem Bindemittel (P-BIAN/PAA) und einem Acetylenschwarz (AB) als leitfähigem Zusatz besteht. Die Si/C/(P-BIAN/PAA)/AB-Anode wurde einem wiederholten Lade-Entlade-Zyklus unterzogen. Es wurde beobachtet, dass das P-BIAN/PAA-Bindemittel die Siliziumanode stabilisiert und eine spezifische Entladungskapazität von 2100 mAh g-1 für über 600 Zyklen aufrechterhält. Im Gegensatz dazu sank die Kapazität der reinen Silizium-Kohlenstoff-Anode innerhalb von 90 Zyklen auf 600 mAh g-1.

Nach dem Test zerlegten die Forscher die Anode und untersuchten das Material auf etwaige Risse, die durch einen Bruch des Siliziums entstanden sein könnten. Eine spektroskopische und mikroskopische Untersuchung nach 400 Zyklen ergab eine glatte Struktur mit nur wenigen Mikrorissen, was darauf hindeutet, dass der Zusatz des Bindemittels die strukturelle Integrität der Elektrode verbessern und eine gleichmäßige SEI aufrechterhalten konnte.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe des Bindemittels die Eigenschaften der Siliziumanode verbessern und sie praktisch anwendbar machen kann. „Das Design und die Anwendung neuartiger Polymerkomposite, die leitende n-Typ-Polymere (CPs) und protonendonierende Polymere mit wasserstoffgebundenen Netzwerken wie P-BIAN/PAA umfassen, haben eine vielversprechende Zukunft bei Elektrodenmaterialien mit hoher Kapazität“, sagt Prof. Matsumi.

Da die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien zunimmt, ist Silizium, das am achthäufigsten auf der Erde vorkommende Material, eine vielversprechende umweltfreundliche Alternative zu Graphit. Die Verbesserung seiner strukturellen Stabilität und seiner Leitfähigkeit durch den Einsatz von Bindemitteln wird es für den Einsatz in zukünftigen Lithium-Ionen-Batterien geeigneter machen. „Dieses Konstruktionsprinzip für Verbundwerkstoffe wird die weitere Verbreitung von Elektrofahrzeugen, die Entwicklung anderer batteriebetriebener Fahrzeuge und von Drohnen ermöglichen, die eine höhere Energiedichte für fortschrittliche Leistungen benötigen“, so Prof. Matsumi.

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