Lösung durch „Elektronenspin“
Das Aufladen der Batterie eines Elektrofahrzeugs dauert in der Regel etwa 10 Stunden oder länger, und selbst mit Schnelllademethoden noch mindestens 30 Minuten. Vorausgesetzt, es gibt überhaupt einen freien Platz an einer Ladestation. Wenn man Elektrofahrzeuge (fast) so schnell aufladen könnte wie benzinbetriebene Autos auftanken, könnte dies dazu beitragen, den Mangel an Ladestationen zu beheben. Eine Medienmitteilung der südkoreanischen Pohang University of Science and Technology (POSTECH).
E-Auto – unter der Haube – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden, hängt von der Fähigkeit des Anodenmaterials ab, Lithium-Ionen zu speichern. Kürzlich wurde unter Leitung von Professor Won Bae Kim von der Abteilung für Chemieingenieurwesen und dem Graduate Institute of Ferrous & Energy Materials Technology der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) ein neues Anodenmaterial entwickelt. Sein Team synthetisierte Manganferrit-Nanoblätter (Mn3-xFexO4) mit Hilfe einer neuartigen Selbsthybridisierungsmethode, die auf einem unkomplizierten galvanischen Austauschverfahren beruht. Diese bahnbrechende Technik steigert die Speicherkapazität um das 1,5-fache über die theoretische Grenze hinaus und ermöglicht es, ein Elektrofahrzeug in nur sechs Minuten aufzuladen. Die Forschungsarbeit wurde für ihre Exzellenz ausgezeichnet und als Titelblatt von Advanced Functional Materials veröffentlicht.
In dieser Studie entwickelte das Forscherteam eine neue Methode zur Synthese von Manganferriten als Anodenmaterial, das für seine überlegene Lithium-Ionen-Speicherkapazität und ferromagnetischen Eigenschaften bekannt ist. Zunächst fand eine galvanische Austauschreaktion in einer Lösung aus Manganoxid und Eisen statt, die zu einer Heterostrukturverbindung mit Manganoxid im Inneren und Eisenoxid außen führte. Das Team verwendete dann eine hydrothermale Methode, um nanometerdicke Manganferritplatten mit vergrößerter Oberfläche herzustellen. Auf diese Weise wurden hochgradig spinpolarisierte Elektronen nutzbar gemacht, was die Speicherkapazität für eine beträchtliche Menge an Lithium-Ionen deutlich erhöhte. Diese Innovation ermöglichte es dem Team, die theoretische Kapazität des Manganferrit-Anodenmaterials um mehr als die Häfte zu übertreffen.
Die Vergrößerung der Oberfläche des Anodenmaterials erleichterte die gleichzeitige Bewegung einer großen Menge von Lithium-Ionen und verbesserte so die Ladegeschwindigkeit der Batterie. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass nur sechs Minuten benötigt werden, um eine Batterie mit einer Kapazität, die derjenigen der derzeit auf dem Markt befindlichen Elektrofahrzeuge entspricht, zu laden und zu entladen. Diese Untersuchung hat den anspruchsvollen Syntheseprozess verfeinert, um einen Durchbruch bei der theoretischen Kapazität des Anodenmaterials zu erzielen und den Ladeprozess der Batterie erheblich zu beschleunigen.
Kim erklärte: „Wir haben ein neues Verständnis dafür entwickelt, wie man die elektrochemischen Beschränkungen herkömmlicher Anodenmaterialien überwinden und die Batteriekapazität durch Anwendung eines rationalen Designs mit Oberflächenveränderung durch Elektronenspin erhöhen kann.“ Er zeigte sich optimistisch, dass diese Entwicklung zu einer längeren Lebensdauer der Batterien und einer kürzeren Aufladezeit für Elektrofahrzeuge führen könnte.
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