Neue Einsichten ins Design von Batterieelektroden

Kohlenstoff-Nanoröhrchen geben Batterien Auftrieb

US-Wissenschaftler untersuchten verschiedene leitfähige Füllmaterialien in Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden. Ergebnis: Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren führen bei einer Nickel-Kobalt-Mangan-Kathode zu einer besseren elektrischen Leitfähigkeit und einer höheren Ratenfähigkeit der gesamten Batterie. Das könnte nach Ansicht der Forschungsgruppe neue Einsichten in das Design von Batterieelektroden mit hoher Leistung und hohem Energiegehalt liefern. Ein Artikel in pv magazine international von Mark Hutchins.

Unter den vielen Möglichkeiten, die heutigen Energiespeichertechnologien zu verbessern, verspricht der Zusatz von leitfähigen “Füllmaterialien” zu den Elektroden eine bessere Ratenfähigkeit, Leitfähigkeit und Gesamtleistung der Batterie. “Obwohl viele leitfähige Füllstoffe entwickelt wurden”, erklären Wissenschaftler unter der Leitung der  University of Texas at Austin (UTA), “ist das Verständnis darüber, wie die Geometrie und Dimensionalität dieser Füllstoffe die Elektrodenleitfähigkeit, die Architektur und letztlich die elektrochemische Leistung in Hochenergiespeichersystemen beeinflussen, immer noch unzureichend”.

Die Arbeitsgruppe führte Experimente mit drei verschiedenen leitfähigen Kohlenstoffmaterialien durch, um festzustellen, welches die beste Leistung bot. Einer Nickel-Kobalt-Mangan-Kathode (NCM) wurden unterschiedliche Mengen einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen-Nanoblätter und “Super P” – eine Art von Rußpartikeln, die bereits häufig als leitfähiger Füllstoff in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden – hinzugefügt. Diese Kathoden wurden dann mit verschiedenen spektroskopischen und elektrochemischen Charakterisierungstechniken gemessen. Die vollständigen Ergebnisse sind in der in Applied Physics Reviews veröffentlichten Arbeit Unvelling the dimensionality effect of conductive fillers in thick battery electrodes for high energy storage systems veröffentlicht.

Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs) erwiesen sich als das leistungsfähigste Additiv. Die Forschungsgruppe beobachtete, dass die Nanoröhren eine leitende Beschichtung um die NCM-Partikel bildeten und auch untereinander verbundene Netzwerke zwischen den NCM-Partikeln bildeten. Graphen-Nanoblätter hatten eine ähnliche Wirkung, bildeten jedoch weniger gleichmäßige Strukturen.

Die beste der SWCNT-Elektroden zeigte eine Kapazität von 142 mAh/g bei einer Ladungsrate von 0,2 C, die auf 101 mAh/g fiel, als die Rate auf 2 C stieg. Die Forschungsgruppe stellte außerdem fest, dass bereits 0,16 Gew.-% der SWCNTs ausreichten, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten. “Wenn ein elektrisch leitfähiger Füllstoff zu einer isolierenden Matrix hinzugefügt wird”, erklärt Guihua Yu von UTA, “kommt es zu signifikanten Erhöhungen der Leitfähigkeit, sobald der erste leitende Pfad durch das Komposit gebildet wird”.

Die Forschungsgruppe sagt, dass ihre Ergebnisse darauf hindeuten, dass die Integration von SWCNTs auf diese Weise bessere Ionen- und Ladungstransfers ermöglichen könnte, was zu leistungsfähigeren Batterien führen könnte, insbesondere bei hohen Entladungsraten. Und insgesamt könnte das verbesserte Verständnis des Verhaltens leitender Füllstoffe neue Türen beim Design von Elektroden mit hoher Energie-/Leistungsdichte öffnen.

Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs) erwiesen sich als das leistungsfähigste Additiv. Die Forschungsgruppe beobachtete, dass die Nanoröhren eine leitende Beschichtung um die NCM-Partikel bildeten und auch untereinander verbundene Netzwerke zwischen den NCM-Partikeln bildeten. Graphen-Nanoblätter hatten eine ähnliche Wirkung, bildeten jedoch weniger gleichmäßige Strukturen.

Die beste der SWCNT-Elektroden zeigte eine Kapazität von 142 Milliampere-Stunden pro Gramm (mAh/g) bei einer Ladungsrate von 0,2 C, die auf 101 mAh/g fiel, als die Rate auf 2 C stieg. Die Forschungsgruppe stellte außerdem fest, dass bereits 0,16 Gew.-% der SWCNTs ausreichten, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten. “Wenn ein elektrisch leitfähiger Füllstoff zu einer isolierenden Matrix hinzugefügt wird”, erklärt Guihua Yu von UTA, “kommt es zu signifikanten Erhöhungen der Leitfähigkeit, sobald der erste leitende Pfad durch das Komposit gebildet wird”.

Die Forschungsgruppe sagt, dass ihre Ergebnisse darauf hindeuten, dass die Integration von SWCNTs auf diese Weise bessere Ionen- und Ladungstransfers ermöglichen könnte, was zu leistungsfähigeren Batterien führen könnte, insbesondere bei hohen Entladungsraten. Und insgesamt könnte das verbesserte Verständnis des Verhaltens leitender Füllstoffe neue Türen beim Design von Elektroden mit hoher Energie-/Leistungsdichte öffnen.

Abstract aus Applied Physics Reviews

Die Einsatzmöglichkeiten von Lithium-Ionen-Batterien sind begrenzt, da sie die Anforderungen an hohe Leistungsabgabe und reversible Energiespeicherung nicht erfüllen können. Die Hauptherausforderungen konzentrieren sich auf die Entwicklung von Elektrodenarchitekturen zur Erzeugung sowohl hoher Energie als auch Leistung. Als Schlüsselkomponenten spielen leitfähige Füllstoffe eine entscheidende Rolle bei den Batterieelektroden. Sie tragen zur elektrischen Leitfähigkeit bei und formen die Elektrodenstrukturen, die das Ratenvermögen maßgeblich bestimmen.

In dieser Studie wird der Dimensionalitätseffekt von leitfähigen Füllstoffen auf die elektrochemische Leistung in dicken Elektroden für eine skalierbare Energiespeicherung aufgeklärt. Insbesondere drei Arten von leitfähigen Füllstoffen: einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen-Nanoblätter und Super P werden mit kommerziellem LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 als Modellmaterial untersucht. Die Rolle dieser leitfähigen Füllstoffe auf die Elektrodenmorphologie, die elektrische Perkolation und die elektrochemischen Eigenschaften von LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2-Elektroden wird vergleichend untersucht. Insbesondere Elektroden mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren weisen eine überlegene Ratenleistung auf, was sowohl auf die hohe elektrische Leitfähigkeit als auch auf die dichte Wickelarchitektur zurückzuführen ist, was durch verschiedene fortgeschrittene strukturelle und elektrochemische Charakterisierungen weiter aufgezeigt wurde. Diese Arbeit demonstriert den Dimensionalitätseffekt von leitfähigen Füllstoffen sowohl auf die Elektrochemie als auch auf die Elektrodenarchitektur und hebt die Vorteile von 1D-leitfähigem Füllstoff in dicken Elektroden hervor, was neue Erkenntnisse für zukünftige Hochenergie-/Leistungssysteme bringt.

Einleitung

In den vergangen Jahren haben sich Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) zu den wichtigsten wiederaufladbaren Energiequellen für Elektrofahrzeuge (EVs) und tragbare elektronische Geräte entwickelt. Die Anwendungen von LIBs sind jedoch begrenzt, da sie derzeit die Anforderungen an hohe Ausgangsleistung und reversible Energiespeicherung nicht erfüllen können. Daher gibt es noch Herausforderungen bei der Entwicklung neuartiger Materialien und/oder technischer Elektrodenarchitekturen, um sowohl hohe Energie als auch Leistung zu erreichen. Ansätze zur Förderung des Ratenvermögens von Batterien umfassen eine Vielzahl von Batteriekomponenten, d.h. aktives Material, Elektrolyt, leitender Füllstoff und Binder, Mittel zur Verkleinerung des aktiven Materials auf Nanogröße, den Aufbau einer stabilen Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI), die Modulation der Kristallstruktur des Materials und der Oberflächenchemie, und die Einrichtung ionisch und elektronisch leitender Bahnen in der Elektrode. Die Ionenleitung, einschließlich der Ionenmigration im Elektrolyten und der Festkörperdiffusion, wird immer als Schlüsselfaktor für das Ratenvermögen angesehen. Während das dicke Elektrodendesign anerkanntermaßen die Energiedichte wesentlich erhöht, leidet es auch unter einer schlechten Kinetik des Li-Ionentransports, was zu einer schlechten Materialausnutzung führt, da sich die Li-Ionen-Diffusion im Elektrolyten als der ratenbestimmende Schritt bei der Erhöhung der Elektrodendicke herausstellt. Zu diesem Zweck wurden in den letzten Jahren verschiedene Techniken entwickelt, um vertikal ausgerichtete Kanäle zu bauen oder Poren mit hierarchischen Größen zu schaffen, um den Ionentransport zu erleichtern und ein hohes Ratenvermögen in dicken Elektroden zu realisieren.

Da elektrochemische Reaktionen in der Batterie aus verschiedenen Prozessen mit gekoppelten Beiträgen sowohl von Li-Ionen als auch von Elektronen bestehen, spielt die elektronische Leitung auch eine bedeutende Rolle für die Ratenfähigkeit von Batterien. Eine große Anzahl von Studien hat sich auf die Entwicklung neuartiger leitfähiger Füllstoffe und den Aufbau eines zusammenhängenden leitenden Netzwerks in der Elektrode konzentriert. Ruß wurde aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, des niedrigen Preises und der großen Produktionsmenge häufig in kommerziellen Batterien verwendet. Darüber hinaus gelten Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und Graphen-Nanoblätter (GNs) aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit als vielversprechende Kandidaten, und ihre Fähigkeit zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung wurde verifiziert. Verbundene und leitende Gerüste auf der Basis von Holzschablonen, Kohlenstofffasergewebe, und reduziertem Graphenoxid (rGO)-Aerogel liefern auch weitreichende Elektronentransportwege durch die Elektrode. Obwohl eine Vielzahl von leitfähigen Füllstoffen umfassend entwickelt wurde, ist das Verständnis, wie die Geometrie und die Dimensionalität dieser Füllstoffe die Elektrodenleitfähigkeit, die Architektur und letztendlich die elektrochemische Leistung in Hochenergiespeichersystemen beeinflussen, trotz ihrer beträchtlichen Bedeutung für das fortschrittliche Batterieelektrodendesign noch unzureichend. Daher ist das Verständnis der Rolle, die ein leitfähiger Füllstoff in einer dicken Elektrode spielt, von wesentlicher Bedeutung, und es könnten neue Erkenntnisse für das Design von Hochenergie-/Leistungsbatterien gewonnen werden.

In dieser Studie werden die Dimensionalitätseffekte von leitfähigen Füllstoffen auf die strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften von dicken Batterieelektroden systematisch untersucht. Insbesondere drei Arten von leitfähigen Füllstoffen – einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs), GNs und Super P – werden unter Verwendung von LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM) als Modellmaterial untersucht. Die Auswirkungen dieser leitfähigen Füllstoffe auf die elektrische Perkolation, die Elektrodenarchitektur und die elektrochemischen Eigenschaften von NCM-Elektroden werden illustriert. Beeindruckend ist, dass die NCM/SWCNT-Elektrode aufgrund der hohen Elektrodenleitfähigkeit und der fortschrittlichen Elektrodenarchitektur, die durch verschiedene strukturelle und elektrochemische Charakterisierungen, einschließlich elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), dreidimensionales Raman-Mapping (3D) und operando-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), bestätigt wurden, die beste Ratenfähigkeit aufweist.

->Quellen: