Neue Anoden helfen Lithium

Dieser Artikel ist Teil unserer exklusiven IEEE Journal Watch-Reihe in Zusammenarbeit mit IEEE Xplore.

Forscher haben ein neues Lithium-Ionen-Batteriedesign entwickelt, das einen besseren Elektronenfluss durch die Anode ermöglicht, wodurch die Kapazität der Batterie erheblich verbessert und die Ladezeit halbiert wird. Der Fortschritt wird in einer Studie beschrieben, die am 14. April im IEEE Journal on Flexible Electronics veröffentlicht wurde.

Elektrofahrzeuge sind eine wichtige Möglichkeit, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren. Das Aufladen der Lithium-Ionen-Batterien in diesen Autos dauert jedoch immer noch eine Weile, was einige Leute möglicherweise davon abhält, die Technologie zu übernehmen.

„Es besteht ein enormer Bedarf an Batterieinnovationen, die eine schnelle Ladefähigkeit mit längerer [Batterie-]Lebensdauer bieten können“, sagt Himanaga Emani, ein Ph.D. Forschungsassistent in der Abteilung für Elektro- und Computertechnik der Western Michigan University und an der Studie beteiligt.

Derzeit verfügen Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, über Anoden aus Graphit, Forscher haben jedoch die Verwendung anderer Materialien wie Graphen untersucht. Graphen besteht aus dünnen Kohlenstoffschichten, die Graphit als Stromleiter übertreffen. Allerdings reicht die bloße Verwendung unterschiedlicher Materialien möglicherweise nicht aus, um den Batterien den nötigen Ladeschub zu geben.

Die Forscher fanden heraus, dass das Bohren der mikrometergroßen sekundären Porennetzwerke (SPNs) [links] in die Batterieanode die Gesamtladegeschwindigkeit und die Kapazitätserhaltung der Batterie verbesserte.West Michigan University/IEEE

Deshalb nutzten Emani und sein Team die Laserstrukturierung, um entlang ihrer neuen Graphen-Anode ein Netzwerk aus Poren zu erzeugen. Diese winzigen Löcher ermöglichen einen leichteren Elektronenfluss durch die Anode, was zu einer schnelleren Ladezeit führt. Während heutige kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden eine theoretische Kapazität von 372 Milliamperestunden pro Gramm haben, kann die von den Forschern neu vorgeschlagene Graphenanode mit ihren Poren eine Kapazität von mehr als 700 mAh/g liefern.

Die Forscher testeten ihre neue Anode in einer Versuchsreihe mit Ladezeiten zwischen 10 Minuten und 2 Stunden bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuen Anoden mit Poren bei Ladezeiten von mehr als einer Stunde keinen signifikanten Einfluss auf die Batteriekapazität im Vergleich zu herkömmlichen Anoden hatten. Bei Ladezeiten von weniger als einer Stunde war die Graphenanode mit Poren jedoch doppelt so schnell wie herkömmliche Anoden.

„Vereinfacht ausgedrückt könnte ein handelsüblicher Akku, dessen Aufladung eine Stunde dauern könnte, basierend auf unseren Ergebnissen in weniger als 30 Minuten aufgeladen werden“, sagt Emani.

Wichtig ist, dass die neuen Batterien auch nach mehrmaligem Gebrauch ihre Kapazität behalten. Typischerweise verlieren Akkus ihre Kapazität, wenn sie mehrere Ladezyklen durchlaufen. In dieser Studie zeigten Zellen mit Sporen nach 200 Ladezyklen eine bessere Kapazitätserhaltung (nahezu 90 Prozent) im Vergleich zu Zellen ohne Poren (nur 38 Prozent).

Diese Studie analysierte die neuen Anoden in Form von Knopfzellen bei Raumtemperatur, stellt Emani fest. „Bevor wir auf den Markt gehen, möchten wir diese Batterien in Beutel-, zylindrischen und prismatischen Zellen testen, da dies die am häufigsten verwendeten Grundtypen von Batteriekonfigurationen in Elektrofahrzeugen sind.“

Das Team ist auch daran interessiert, diese porösen Anoden bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen. „Dies ist ein Schlüsselparameter, da in Elektrofahrzeugen verwendete Batterien je nach geografischem Standort, Wetter und Jahreszeiten unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, um die Leistung der Batterien unter rauen Bedingungen weiter zu verbessern“, sagt er.