Leistungssteigerung für Li-Io-Batterien

Nature: Verbesserte CuO-Nanodraht-Anordnung als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien durch gleichmäßige Beschichtung mit NiO-Nanoschichten

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen Energiedichte und ihres geringen Gewichts eine der wichtigsten Energiequellen für Elektroautos, medizinische Geräte und Unterhaltungselektronik. Um jedoch den zukünftigen energiereichen Bedarf an leistungsstarken Elektrofahrzeugen, Elektronik und Medizinprodukten zu decken, suchten Forscher verstärkt nach neuen Anodenmaterialien mit höherer Kapazität sowie niedriger und langfristiger Stabilität. In der Zeitschrift Nature/Science Direkt präsentieren acht taiwanesische Forscher am 21.12.2018 Erfolge dieser Suche: Sie entwickelten einen einfachen Prozess zur Synthese von gemusterten CuO-Nanodrähten, um die negativen Auswirkungen der Volumenausdehnung zu reduzieren und beschichteten die CuO-Nanodrähte anschließend mit NiO-Nanoschichten.

Abstract

Die Autoren zeigen eine signifikante Verbesserung von CuO-Nanodraht-Anordnungen als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien durch gleichmäßigee Beschichtung mit dünnen NiO-Nanoschichten. Die NiO-Nanoplatten wurden in zwei Arten von Morphologien entworfen, porös und nicht-porös. Durch die NiO-Nanoblechbeschichtung wurden die wichtigsten aktiven CuO-Nanodrähte vor direktem Kontakt mit dem Elektrolyten geschützt, um die chemische Oberflächenstabilität zu verbessern. Gleichzeitig, durch die Beobachtung und den Vergleich der TEM-Ergebnisse (Transmissionselektronenmikroskop) von kristallinen nicht-porösen NiO-Nanoblättern, vor und nach dem Lithierungsprozess, beweisen die Autoren eindeutig die Wirkung des erwarteten Schutzes von CuO und klären die Unterschiede von Phasenübergang, Kristallinitätsänderung, Ionenleitung und die Mechanismen des Kapazitätsabbaus weiter.

Anschließend zeigen die elektrochemischen Leistungen Lithierungs- und Delithierungsunterschiede der porösen und nicht-porösen NiO-Nanobleche und bestätigen, dass das Vorhandensein der nicht-porösen NiO-Beschichtung die Diffusion von Li+-Ionen in die CuO-Nanodrähte noch effektiv unterstützen kann, wobei der Vorteil der großen Oberfläche erhalten bleibt und die Zyklusleistung der CuO-Nanodrähte verbessert wird, was zu einer verbesserten Batteriekapazität führt. Im Optimalfall wird die beste Struktur als nicht-poröse NiO-Nanoplatten validiert, im Gegensatz zu den erwarteten porösen NiO-Nanoplatten. Darüber hinaus kann der kostengünstige und einfache Herstellungsprozess für die Praxis weiter realisiert werden.

Abb.: Schematische Darstellungen des Verfahrens zur Herstellung von CuO/NiO-Nanodraht-Arrays: (a) Herstellen des Edelstahlsubstrats, (b) Herstellen der quadratischen Cu-Muster, (c) Aufwachsen der CuO-Nanodraht-Anordnungen durch thermische Oxidation und (d) Aufwachsen der NiO-Bleche als NiO/CuO-Kern/Schalenstruktur durch ein hydrothermales Verfahren, wobei einzelne Nanodrähte (e) poröse und (f) nicht-poröse Schalen bilden, wenn Ni(NO3)2 bzw. NiSO4als Vorläufer verwendet wird – © nature.com

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