Forscher in China berichten von 711,3 Wh/kg Li

In einem Artikel in Chinese Physical Letters berichten Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften über die Herstellung praktischer wiederaufladbarer Lithiumbatterien in Beutelform mit einer gravimetrischen Energiedichte von 711,3 Wh⋅kg−1 und einer volumetrischen Energiedichte von 1653,65 Wh⋅L−1. Aktuelle, fortschrittliche, praktische Lithium-Ionen-Batterien haben eine Energiedichte von etwa 300 Wh⋅kg−1.

Lee et al.

Das Team verwendete Hochleistungsbatteriematerialien, darunter eine Lithium-Mangan-basierte Kathode (LRM) mit hoher Kapazität und eine dünne Lithiummetallanode mit hoher spezifischer Energie, kombiniert mit einer hochbelastbaren Elektrodenvorbereitung und einer mageren Elektrolytinjektion.

Batteriedesign: (a) die vorhandene kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie mit 300 Wh·kg−1; (b) die Erhöhung der Energiedichte in praktischen Lithiumbatterien durch Erhöhung der Energiedichte aktiver Elektrodenmaterialien und Verringerung der Masse der Hilfsmaterialien; (c) die Massenkonstruktion einer 700 Wh·kg−1 Batterie, die in dieser Arbeit enthalten ist. Li et al.

Derzeit liegt die Energiedichte moderner kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien bei 300 Wh·kg−1. … Aufgrund einer umfassenden Betrachtung von Zyklenleistung, Ratenleistung, Sicherheit, Umweltanpassungsfähigkeit usw. ist der Anteil aktiver Kathodenmaterialien stets gering und liegt bei 50 %, während der Anteil an Anodenmaterialien 18 %–25 ausmacht % und andere Hilfsstoffe machen 25–30 % der Gesamtmasse aus.

Wenn man alle anderen Aspekte außer Acht lässt und sich nur auf die Energiedichte konzentriert, gibt es Ansätze wie die Verwendung von Kathoden- und Anodenmaterialien mit höherer spezifischer Energie, die Erhöhung der Elektrodenladungsmasse, die Verringerung des Verhältnisses von Elektrolytmasse und Batteriekapazität (E/C) und die Verwendung leichterer und dünnerer Kollektoren , Separatoren, Verpackungsmaterialien usw. sind allesamt machbar, um einen hohen Wert der Energiedichte zu erreichen. Nachdem wir das Design der vorhandenen 300-Wh-kg-1-Batterie gründlich analysiert haben, berechnen wir die Abhängigkeit zwischen der Energiedichte und mehreren Hauptkomponenten, unabhängig von der normalen Funktionalität der Batterien. Die Ergebnisse zeigen, dass Kathoden- und Anodenmaterialien, Beladungsmasse und E/C-Verhältnis ausschlaggebend für die Verbesserung der Energiedichte sind. … Leider kann der Austausch jeder einzelnen Komponente nicht gewährleisten, dass die Batterie eine Energiedichte von über 400 W·h·kg-1 erreicht. Die Herstellung von Batterien mit hoher Energiedichte kann nur durch die Synergie der oben genannten Faktoren erreicht werden.

Das Team verwendete eine LRM-Kathode mit hoher spezifischer Kapazität und erweitertem Spannungsbereich sowie eine 20 μm Li-Metallanode, die durch einen PVDF-Separator stabilisiert wurde. Die einseitige spezifische Flächenkapazität der Kathode übersteigt 10 mAh·cm−2 und die Kompaktdichte beträgt mehr als 2,6 g·cm−3. Die Stromkollektoren bestehen aus ultradünner Al- (9 μm) und Cu-Folie (6 μm) und das E/C-Verhältnis beträgt 1,3 g·A−1 ·h−1.

Im routinemäßigen Lade-Entlade-Spannungsbereich von 2–4,8 V weist die volle 9,72-Ah-Batterie eine gravimetrische Energiedichte von 601,78 Wh·kg−1 und eine volumetrische Energiedichte von mehr als 1175,56 Wh·L-1 auf [Abb. 4(a)], und die Batterieentladekapazität weist nach 3 Zyklen keinen offensichtlichen Rückgang auf.

Durch die weitere Erweiterung des Betriebsspannungsbereichs auf 1,25–4,8 V unterstützt die im Niederspannungsintervall enthaltene Energie die gravimetrische Energiedichte auf bis zu 701,06 Wh·kg−1 und die volumetrische Energiedichte auf 1621,84 Wh·L−1. Trotz einer geringen Kapazitätsreduzierung im zweiten Zyklus weist die Batteriekapazität im dritten Zyklus einen hohen Erhaltungszustand von 78,2 % auf. Die Energiedichte beträgt 711,3 Wh·kg−1 und 1653,65 Wh·L−1 gemäß einem unabhängigen Testbericht von Parallelbatterien. Die Volumenänderung der Ausgangszelle beträgt nach dem ersten Zyklus nur 5,09 %.

… wir sollten beachten, dass es bei Lithiumbatterien immer einen Widerspruch zwischen Energiedichte, Zyklenleistung, Geschwindigkeitsleistung und Sicherheit gibt. Daher müssen diese Parameter noch umfassend berücksichtigt werden, um den Anforderungen bestimmter Bereiche in Zukunft gerecht zu werden.

Ressourcen

Quan Li et al. (2023) „Eine wiederaufladbare Lithiumbatterie vom Beuteltyp mit 700 Wh kg−1“ Chinese Phys. Lette. doi: 10.1088/0256-307X/40/4/048201

Gepostet am 29. April 2023 in Batterien, China, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (2)