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Jul 08, 2023

Die Reichweite von Elektroautos kann durch revolutionäre neue Batterietechnologie erhöht werden

Da der Markt für Elektrofahrzeuge ein rasantes Wachstum verzeichnet, wobei der Umsatz im Jahr 2022 1 Billion US-Dollar übersteigt und der Inlandsabsatz 108.000 Einheiten übersteigt, steigt die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien

Da der Markt für Elektrofahrzeuge ein rasantes Wachstum erlebt, wobei der Umsatz im Jahr 2022 1 Billion US-Dollar übersteigt und der Inlandsabsatz 108.000 Einheiten übersteigt, wächst die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien, die die Reichweite von Elektroautos erweitern können.

Ein Forscherteam von POSTECH und der Sogang University hat das Anodenmaterial aus einem funktionellen Polymerbinder entwickelt, um diesen wachsenden Anforderungen gerecht zu werden.

Das entsprechende Papier der Studie mit dem Titel „Layering Charged Polymers Enable Highly Integrated High-Capacity Battery Anodes“ wurde in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Das Team unter der Leitung der Professoren Soojin Park und Youn Soo Kim von POSTECH und Professor Jaegeon Ryu von Sogang arbeitete daran, die Reichweite von Elektroautos durch Anoden mit hoher Kapazität zu erhöhen.

Sie entwickelten ein geladenes Polymerbindemittel für ein Anodenmaterial mit hoher Kapazität, das sowohl stabil als auch zuverlässig ist und eine Kapazität bietet, die zehnmal oder höher ist als die von herkömmlichen Graphitanoden. Diese bahnbrechende Leistung wurde durch den Ersatz von Graphit durch eine Si-Anode erzielt, die mit schichtgeladenen Polymeren kombiniert wurde und gleichzeitig Stabilität und Zuverlässigkeit beibehielt.

Hochleistungsanodenmaterialien wie Silizium sind für die Steigerung der Reichweite von Elektroautos unerlässlich. Dies liegt daran, dass sie Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte herstellen und mindestens die zehnfache Kapazität von Graphit oder anderen derzeit verfügbaren Anodenmaterialien bieten.

Was die Forscher bei diesem Schritt als Herausforderung empfanden, war, 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 entschärfen, untersuchten die Forscher Polymerbindemittel, die die Volumenausdehnung wirksam steuern können.

Bisher konzentrierte sich die Forschung rund um Batterien und Energiedichte hauptsächlich 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 schwerwiegenden Nachteil auf: Sobald sie aufgebrochen sind, 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 neue Polymer erhöht jedoch die Reichweite von Elektroautos, indem es sowohl Wasserstoffbrückenbindungen als auch Coulomb-Kräfte (Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen) nutzt. 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 überwiegend 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-Batterien zu finden ist.

Professor Soojin Park kam zu dem Schluss: „Die Forschung 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 Elektroautos zu erhöhen.“

Anodenmaterialien auf Siliziumbasis könnten die Reichweite potenziell um mindestens das Zehnfache erhöhen.“

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