Der Markt für Elektrofahrzeuge verzeichnet ein explosionsartiges Wachstum: Der weltweite Absatz hat im Jahr 2022 1 Billion Euro überstiegen. Zwangsläufig wächst die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien, die die Reichweite von Elektrofahrzeugen verlängern können. Kürzlich hat ein gemeinsames Forscherteam der Naturwissenschaftlich-Technischen Universität Pohang und der Sogang University (beide in Südkorea) ein funktionelles Polymerbindemittel für stabiles Anodenmaterial mit hoher Kapazität entwickelt, das den aktuellen EV-Bereich um mindestens das Zehnfache erhöhen könnte.
Das Forschungsteam entwickelte einen geladenen Polymerbinder für eine hohe Kapazität Anodenmaterial, das sowohl stabil als auch zuverlässig ist und eine Kapazität bietet, die zehnmal oder höher ist als die herkömmlicher Graphitanoden. Dieser Durchbruch wurde durch den Ersatz von Graphit durch eine Silizium-Anode in Kombination mit schichtgeladenen Polymeren unter Beibehaltung von Stabilität und Zuverlässigkeit erreicht. Die Forschungsergebnisse wurden in Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Anodenmaterialien mit hoher Kapazität wie Silizium sind für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus mit hoher Energiedichte unerlässlich. Sie bieten mindestens die zehnfache Kapazität im Vergleich zu Graphit oder anderen derzeit erhältlichen Anodenmaterialien. Die Herausforderung besteht darin, dass die Volumenausdehnung von Anodenmaterialien mit hoher Kapazität während der Reaktion mit Lithium eine Gefahr für die Leistung und Stabilität der Batterie darstellt. Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher Polymerbindemittel untersucht, die die Volumenausdehnung wirksam steuern können. Bisher konzentrierte sich die Forschung jedoch ausschließlich auf chemische Vernetzung und Wasserstoffbrückenbindung. Bei der chemischen Vernetzung handelt es sich um eine kovalente Bindung zwischen Bindemittelmolekülen, die diese fest macht. Sie weist jedoch einen fatalen Nachteil auf: Einmal gebrochen, können die Bindungen nicht wiederhergestellt werden. Andererseits handelt es sich bei der Wasserstoffbindung um eine reversible Sekundärbindung zwischen Molekülen, die auf Elektronegativitätsunterschieden basiert, deren Stärke (10–65 kJ/mol) jedoch relativ schwach ist.
Das neuentwickelte Polymer nutzt nicht nur Wasserstoffbrückenbindungen, sondern auch Coulomb-Kräfte (Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen). Diese Kräfte haben eine Stärke von 250 kJ/mol, viel höher als die der Wasserstoffbrückenbindung, sind jedoch reversibel, sodass sich die Volumenausdehnung leicht steuern lässt. Die Oberfläche von Anodenmaterialien mit hoher Kapazität ist größtenteils negativ geladen, und die schichtweise geladenen Polymere sind abwechselnd mit positiven und negativen Ladungen angeordnet, um eine wirksame Bindung mit der Anode zu gewährleisten. Darüber hinaus führte das Team Polyethylenglykol ein, um die physikalischen Eigenschaften zu regulieren und die Diffusion von Li-Ionen zu erleichtern, was zu der dicken Elektrode mit hoher Kapazität und der maximalen Energiedichte führte, die in Li-Ionen-Akkus zu finden ist.
Die neue Verbindung birgt das Potenzial, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien durch den Einbau von Anodenmaterialien mit hoher Kapazität deutlich zu erhöhen und so die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Anodenmaterialien auf Siliziumbasis könnten die Reichweite potenziell um mindestens das Zehnfache erhöhen.
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Foto: Adafruit (flickr)
