Dicker, dichter, besser: Neue Elektroden könnten der Schlüssel zu fortschrittlichen Batterien sein

Durch elektrisches Feld und Druck unterstütztes schnelles Sintern zur Steuerung der Graphenausrichtung in dicken Verbundelektroden zur Steigerung der Lithiumspeicherleistung. Bildnachweis: Hongtao Sun, Pennsylvania State. Alle Rechte vorbehalten.

16. August 2023

Von Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien, insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, steigt rasant, da die Welt ihren Energieverbrauch auf ein stärker elektrisch betriebenes System verlagert, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert und Klimaschutzbemühungen Vorrang einräumt. Um die Batterieleistung und -produktion zu verbessern, haben Forscher und Mitarbeiter der Penn State einen neuen Herstellungsansatz entwickelt, der effizientere Batterien ermöglichen könnte, die das Energie- und Leistungsniveau aufrechterhalten.

Laut Hongtao Sun könnte die verbesserte Methode zur Herstellung von Batterieelektroden zu Hochleistungsbatterien führen, die energieeffizientere Elektrofahrzeuge ermöglichen und Vorteile wie die Verbesserung der Stromspeicherung im Stromnetz mit sich bringen würden. Sun ist Assistenzprofessor für Industrie- und Fertigungstechnik an der Penn State University und Mitautor der Studie, die in Carbon veröffentlicht und auf der Titelseite abgebildet wurde.

„Mit aktuellen Batterien wollen wir es uns ermöglichen, ein Auto über längere Strecken zu fahren, und wir wollen das Auto in vielleicht fünf oder zehn Minuten aufladen, vergleichbar mit der Zeit, die man zum Tanken braucht“, sagte Sun. „In unserer Arbeit haben wir darüber nachgedacht, wie wir dies erreichen können, indem wir die Elektroden und Batteriezellen kompakter gestalten, mit einem höheren Anteil an aktiven Komponenten und einem geringeren Anteil an passiven Komponenten.“

Wenn ein Elektroautohersteller die Reichweite seiner Fahrzeuge verbessern möchte, fügt er mehr Batteriezellen hinzu, und zwar in Tausenden. Je kleiner und leichter, desto besser, so Sun.

„Die Lösung für längere Fahrstrecken eines Elektrofahrzeugs besteht einfach darin, kompakte Batterien hinzuzufügen, aber mit dichteren und dickeren Elektroden“, sagte Sun und erklärte, dass solche Elektroden die Komponenten der Batterie besser verbinden und mit Strom versorgen könnten, wodurch sie aktiver würden. „Obwohl dies Obwohl dieser Ansatz die Batterieleistung pro Elektrodengewicht leicht reduzieren kann, verbessert er die Gesamtleistung des Fahrzeugs erheblich, indem er das Gewicht des Batteriepakets und die zum Bewegen des Elektrofahrzeugs erforderliche Energie reduziert.“

Effizientere Elektroden – eine Art Gateway für den Strom in einer Batterie – könnten dazu beitragen, eine Batterie mit einem höheren Anteil an aktiven Komponenten zu erhalten.

„Wenn man an die Kernkomponenten innerhalb einer Batterie denkt, trägt nur die Elektrode zur Batterieleistung bei“, sagte Sun. „Die anderen Teile wie Verpackung, Separator, Stromkollektor usw. sind allesamt passive Komponenten, die das Gewicht erhöhen und das auch tun.“ tragen überhaupt nicht zur Batterieleistung bei. Wenn wir die Batterieleistung verbessern wollen, müssen wir an den Materialien der Batterieelektroden arbeiten und ihren Gewichtsanteil in einer Batteriezelle maximieren.“

„Mit aktuellen Batterien wollen wir es uns ermöglichen, ein Auto über längere Strecken zu fahren, und wir wollen das Auto in vielleicht fünf oder zehn Minuten aufladen, vergleichbar mit der Zeit, die man zum Tanken braucht.“

Hongtao Sun, Assistenzprofessor für Industrie- und Fertigungstechnik an der Penn State

Frühere Versuche, die Batterieleistung durch bessere Elektroden zu verbessern, konzentrierten sich nur auf eine Metrik, die nicht so effektiv war, weil die Batterie dann bei anderen Kompromissmetriken schlecht abschnitt. Wenn eine Batterie beispielsweise eine hohe gravimetrische Leistung (die Energiemenge, die sie im Verhältnis zu ihrem Gewicht speichern kann) priorisiert, kann dies zu einer verringerten flächenmetrischen Leistung (wie viel Ladung sie pro Flächeneinheit speichern kann) und/oder einer verringerten volumetrischen Leistung führen ( die abgegebene Ladungsmenge im Verhältnis zur Größe der Batterie).

Normalerweise bestehen Batterien aus Anoden- und Kathoden-Dünnschichtelektroden, die zwischen zwei Stromleiterfolien angeordnet und durch Isolator-Separatoren getrennt sind. Eine Erhöhung der Dicke dieser Elektroden könnte die Energiespeicherkapazität und -dichte verbessern, indem mehr Platz für die Speicherung und Abgabe von Energie geschaffen wird. Eine dickere Elektrode kann mehr Ladungen speichern und daher, wie ein größerer Tank mehr Wasser aufnehmen kann, mehr Energie speichern. Allerdings weisen sie auch einen schlechten Ladungstransport auf, was ihre Gesamtleistung beeinträchtigt.

Sun und sein Forschungsteam konzentrierten sich auf die Herstellung dickerer Elektroden mit optimierten Ladungstransportwegen mit dem Ziel, eine hohe Leistung in allen drei Metriken zu ermöglichen: Fläche, Volumen und Gravimetrie.

Um die Herausforderung einer dickeren Elektrode mit schlechter Ladungstransportkinetik zu bewältigen, entwickelten die Forscher eine Methode, um Spark Plasma Sintering (SPS) auf Elektroden anzuwenden. SPS ist eine energieeffiziente Technik, die Wärme und Druck nutzt, um Materialien zu einem festen Objekt, beispielsweise einer Elektrode, zu verdichten und zu verdichten.

„SPS ermöglichte es uns, eine sehr dicke und dichte Elektrode herzustellen“, sagte Sun. „Die typische Dicke der Batterieelektrode beträgt nur etwa 50 bis 100 Mikrometer, aber in dieser Arbeit sprechen wir jetzt von 300 Mikrometern, 500 Mikrometern.“ Das ist fünfmal höher als der Massenanteil der Elektrode in einem echten Batteriegerät.“

Mit dieser Technik werden vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnetzwerke und Porenkanäle in den Elektroden erreicht, was Kathoden mit hoher Elektrodendichte für eine hohe volumetrische Leistung und einer hohen Massenbeladung (Menge des vorhandenen aktiven Materials) für eine hohe flächenmetrische Leistung ermöglicht und gleichzeitig schnelle Ladungstransporte demonstriert.

„Wenn wir die Batterieleistung verbessern wollen, müssen wir an den Materialien der Batterieelektroden arbeiten und ihren Gewichtsanteil in einer Batteriezelle maximieren.“

Hongtao Sun, Assistenzprofessor für Industrie- und Fertigungstechnik an der Penn State

Die Verwendung der von den Forschern neu entwickelten dickeren Elektroden mit schneller Ladungstransportfähigkeit würde den Anteil aktiver Komponenten erhöhen und die Energiekapazität normalisiert durch das Gesamtgewicht des Batteriepakets verbessern, sagte Sun. Außerdem machen sie die Batterien aufgrund der hohen Dichte der Elektroden kompakter, was die Unterbringung von mehr aktiven Elektrodenmaterialien auf demselben Raum ermöglicht.

Zu den nächsten Forschungsschritten gehören laut Sun die Entwicklung eines Prozesses zur skalierbaren Herstellung dieser Elektroden sowie die Untersuchung anderer Strategien, um den Anteil des Batteriegewichts zu verringern und mehr Batterieraum im Fahrzeug zu ermöglichen.

„Wir untersuchen, wie wir Strukturbatterien entwickeln und in die Struktur des Fahrzeugs integrieren können“, sagte Sun. „Zum Beispiel könnten wir die Batterie in das Dach des Elektroautos integrieren und sie so zu einem Teil der Struktur machen.“ . In diesem Fall können wir das Gewicht des Fahrzeugs drastisch reduzieren, da wir Funktion und Struktur kombinieren.“

Zu den weiteren Autoren der Studie gehören neben Sun Bo Nie, Haoqing Yang, Linrui Duan und Juchen Zhang vom Harold and Inge Marcus Department of Industrial and Manufacturing Engineering der Penn State University; und Mingxin Li, Tiankai Yao, Guoqing Xin und Jie Lian vom Rensselaer Polytechnic Institute. Die National Science Foundation und die Start-up-Fonds der Penn State unterstützten die Forschung teilweise.

Jamie Oberdick

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