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Jun 29, 2023

KERI-Forscher entwickeln sich hoch

Ein Forschungsteam am Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) hat eine Li-Metall-Batterie mit hoher Kapazität und verbesserter Ladeleistung und Stabilität unter Verwendung eines eindimensionalen Li-Confinable entwickelt

Ein Forschungsteam am Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) hat eine Li-Metall-Batterie mit hoher Kapazität und verbesserter Geschwindigkeitsleistung und Stabilität unter Verwendung eines eindimensionalen Li-einschließbaren porösen Kohlenstoffhohlwirts entwickelt. Das Papier wird als Titelpapier in ACS Nano veröffentlicht.

Während die aktuellen Li-Ionen-Batterien Energie erzeugen, indem sie Li-Ionen auf der Grundlage eines Interkalationsmechanismus in die Graphitanode aufnehmen und aus ihr herausnehmen, ist die Li-Metallbatterie nicht auf diesen sperrigen und schweren Graphit angewiesen, sondern verwendet metallisches Li selbst als Anode. Da das Li-Metall eine zehnmal höhere theoretische Kapazität (3.860 mAh/g) als Graphit (372 mAh/g) aufweist, hat es in Bereichen, die Hochleistungsbatterien benötigen, wie etwa Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme, immer mehr Aufmerksamkeit erregt.

Allerdings kann Lithium Dendriten bilden, wenn es während des Zyklusvorgangs nicht gleichmäßig und effektiv gespeichert wird, was zu einer starken Volumenausdehnung der Elektrode führt, was wiederum die Zykluslebensdauer der Batterie verkürzen und Sicherheitsprobleme wie Feuer und Explosionen durch interne Kurzschlüsse verursachen kann .

Viele Forscher haben Li-begrenzbare Kern-Schale-Wirte als Lösung untersucht, da diese Strukturen das Wachstum und die Volumenänderung von Li-Dendriten abschwächen können, indem sie die effektive Stromdichte reduzieren und Li während aufeinanderfolgender Zyklen im Kernraum speichern.

Diese Wirte leiden jedoch unter unerwünschtem Li-Wachstum auf ihrer Oberfläche (d. h. der oberen Beschichtung), da die Kohlenstoffhülle die Li-Ionen-Bewegung behindert – insbesondere bei höheren Stromdichten und Kapazitäten, was zu einer schlechten elektrochemischen Leistung führt.

Um dieses Problem anzugehen, entwickelte das KERI-Team eine 1D-Li-konzentrierbare poröse Kohlenstoffstruktur mit einem hohlen Kern und fügte dem hohlen Kern eine kleine Anzahl von Goldnanopartikeln mit Li-Affinität (lithiophil) hinzu. Die Goldnanopartikel steuern die Wachstumsrichtung von Li, indem sie bevorzugt mit Li reagieren und so eine Li-Ablagerung im Kern induzieren. Darüber hinaus bilden sich im Schalenteil viele Poren in Nanogröße, um die Li-Ionen-Bewegung in Richtung Kernraum zu verbessern.

Kang et al.

Aufgrund der gut miteinander verbundenen leitfähigen Netzwerke, die eine dreidimensionale Struktur bilden, des porösen Schalendesigns, das einen einfachen Li-Ionen-Transport ermöglicht, und des hohlen Kernraums mit lithiophilem Au, der metallisches Li speichert, kann [email protected] die obere Li-Beschichtung unterdrücken und das Li verbessern Die Abisolier-/Plattierungseffizienz im Vergleich zu ihren Gegenstücken sogar bei 5 mA cm–2, wodurch letztendlich stabile Zyklenleistungen der LiFePO4-Vollzelle und der [email protected] symmetrischen Zelle für über 1000 bzw. 2000 Zyklen erreicht wurden.

Die Finite-Elemente-Analyse zeigt, dass die strukturellen Vorzüge und die Lithiophilie von Au einen schnellen reversiblen Li-Betrieb im vorgesehenen Kernraum des [email protected] ermöglichen, was impliziert, dass das strukturelle Design des Li-begrenzbaren Wirts entscheidend für den stabilen Betrieb vielversprechender Li-Moleküle ist. Metallbatterien auf praxisnahem Testniveau.

Das Team von Dr. Byung Gon Kim am KERI arbeitete mit Prof. Janghyuk Moon an der Chung-Ang-Universität zusammen, um die Wirksamkeit des Designs dieses Materials theoretisch zu validieren. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die verringerte Li-Ionen-Diffusionslänge durch die Schalenporen und die verbesserte Li-Affinität durch die Gold-Nanopartikel die Li-Ablagerung innerhalb der Struktur auch unter Hochstrom-Ladebedingungen aufrechterhielten.

Darüber hinaus zeigte der entworfene Li-Wirt eine hervorragende Zyklenleistung von mehr als 500 Zyklen bei einer hohen Stromdichte von 4C (82,5 % Kapazitätserhalt). Bemerkenswert ist auch, dass diese Technologie praktisch ist, da das Team die Elektrospinning-Technik mit Vorteilen in der Massenproduktion für die Materialsynthese nutzte.

Das Team plant, die Kommerzialisierung von Li-Metall-Batterien weiter voranzutreiben, indem es beispielsweise funktionelle Elektrolyte entwickelt, um die stabile Abscheidung und Auflösung von metallischem Li sicherzustellen.

KERI ist ein staatlich finanziertes Forschungsinstitut für Elektrizität im Rahmen des National Research Council of Science & Technology (NST) des Ministeriums für Wissenschaft und IKT.

Ressourcen

Dong Woo Kang, Seong Soo Park, Hong Jun Choi, Jun-Ho Park, Ji Hoon Lee, Sang-Min Lee, Jeong-Hee Choi, Janghyuk Moon und Byung Gon Kim (2022) „One-Dimensional Porous Li-Confinable Hosts für leistungsstarke und stabile Li-Metall-Batterien“ ACS Nano 16 (8), 11892-11901doi: 10.1021/acsnano.2c01309

Gepostet am 30. August 2022 in Batterien, Elektrik (Batterie), Li-Metall | Permalink | Kommentare (1)