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Ein Schub für Akkulaufzeit und Kapazität
Ein neuer chemischer Trick zur Herstellung nanostrukturierter Materialien könnte dazu beitragen, die Reichweite und Zuverlässigkeit von Elektroautos zu erhöhen und zu besseren Batterien zu führen, die das Stromnetz stabilisieren könnten.
Servieren von Energie: Wenn Lithium-Mangan-Phosphat mit einem neuen Verfahren gezüchtet wird, bildet es Mikroplättchen (hier abgebildet). Diese Platten leiten sowohl Elektronen als auch Lithium-Ionen und machen sie zu einem nützlichen Material zum Speichern von Elektrizität.
Forscher am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland, WA, haben die Technik entwickelt, mit der ein potenzielles Elektrodenmaterial, das normalerweise keinen Strom speichern kann, in eines umgewandelt werden kann, das mehr Energie speichert als ähnliche Batteriematerialien, die bereits auf dem Markt sind.
In Arbeit in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Buchstaben , zeigen die PNNL-Forscher, dass Paraffinwachs und Ölsäure das Wachstum plättchenförmiger Nanostrukturen aus Lithium-Mangan-Phosphat fördern. Diese Nanoplättchen sind klein und dünn, sodass sich Elektronen und Ionen (Atome oder Moleküle mit positiver oder negativer Ladung) leicht hinein- und herausbewegen können. Dadurch wird das Material, das aufgrund seiner sehr schlechten Leitfähigkeit normalerweise nicht als Batteriematerial funktioniert, zu einem, das große Mengen an Elektrizität speichert.
Als die Forscher die Leistung des Materials maßen, stellten sie fest, dass es 10 Prozent mehr Energie speichern kann als die theoretische maximale Energiekapazität eines vergleichbaren kommerziellen Elektrodenmaterials – Lithium-Eisenphosphat , das in Elektrowerkzeugen und einigen Hybrid- und Elektrofahrzeugen verwendet wird .
Der Ansatz könnte die Tür zur Verwendung einer breiten Palette von in Frage kommenden Batteriematerialien öffnen, die jetzt durch ihre Fähigkeit, Elektrizität und Lithiumionen zu leiten, eingeschränkt sind. Die Forschung in diesem Bereich hat einen Punkt erreicht, an dem die meisten noch zu untersuchenden Batteriematerialien eine schlechte Leitfähigkeit aufweisen, sagt Daiwon Choi, ein Energiematerialforscher am PNNL. Die neue Methode bietet eine einfache Möglichkeit, deren Leitfähigkeit zu erhöhen. Er sagt, dass die Methode auch mit herkömmlichen Verfahren zur Batterieherstellung kompatibel sein könnte.
Sowohl Lithium-Eisen-Phosphat als auch Lithium-Mangan-Phosphat sind an Batterieelektroden attraktiv, weil sie eine stabile Atomstruktur haben. Diese Kristallstruktur – Olivin genannt – ist weitaus stabiler als die Kristallstruktur von Elektrodenmaterialien, die in Laptop- und Handybatterien verwendet werden. Infolgedessen können Olivin-Materialien viel länger halten als die drei Jahre, die normalerweise Handybatteriematerialien halten. Einige Hersteller behaupten, dass Lithium-Eisenphosphat-Batterien über 30.000 vollständige Lade- und Entladezyklen halten könnten, ohne viel von ihrer Kapazität zum Speichern von Energie zu verlieren – genug für eine Lebensdauer der Batterie von 50 Jahren, sagt Choi.
Theoretisch könnte Lithium-Mangan-Phosphat eine ähnliche Anzahl von Zyklen überdauern, da es eine ähnliche kristalline Struktur hat. Es hat jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass es potenziell 20 Prozent mehr Energie speichern kann als Lithium-Eisenphosphat, da es mit einer höheren Spannung arbeitet. Es war jedoch besonders schwierig, Lithium-Mangan-Phosphat zu modifizieren, um die Tatsache zu überwinden, dass es ein elektrischer Isolator ist.
Frühere Versuche erforderten die Verarbeitung von Vorläufermaterialien in einer flüssigen Lösung, bevor feste Batteriematerialien hergestellt wurden – ein Prozess, der für eine kommerzielle Produktion zu teuer ist. Das bei PNNL entwickelte neue Verfahren eliminiert diesen separaten Flüssigkeitsverarbeitungsschritt, vereinfacht den Prozess und macht ihn mit bestehenden Herstellungstechniken kompatibel.
Zur Vorbereitung des Materials mischen die Forscher chemische Vorstufen mit Paraffinwachs und Ölsäure. Das Wachs und die Säure wirken zusammen, um zu bewirken, dass die Vorläufermaterialien Kristalle einer gut kontrollierten Größe und Form bilden, ohne zu verklumpen. Das Wachs verflüssigt sich bei den hohen Temperaturen, die bei der Verarbeitung des Materials verwendet werden, und fungiert als Lösungsmittel, das den separaten flüssigen Verarbeitungsschritt in früheren Forschungen ersetzt.
Bisher lässt sich das Material nur mit geringen Raten aufladen (obwohl es für viele Anwendungen schnell genug Strom liefert). Choi sagt, dass einer der nächsten Schritte darin besteht, einen besseren Prozess zur Beschichtung der Nanoplättchen mit Kohlenstoff zu entwickeln, der die Leitfähigkeit verbessern soll.
Obwohl Lithium-Mangan-Phosphat attraktiv ist, weil es mehr Energie speichert als Lithium-Eisen-Phosphat, nehmen beide im Vergleich zu anderen Elektrodentypen für Lithium-Ionen-Batterien relativ viel Volumen ein. Jeff Dahn, Professor für Physik und Chemie an der Dalhousie University, sagt, dies könnte sie letztendlich für stationäre Anwendungen – etwa die Speicherung von Strom im Stromnetz, um Schwankungen aus erneuerbaren Quellen auszugleichen – attraktiver machen als für Elektrofahrzeuge.