Eine neue Studie chinesischer Forscher zeigt einen neuartigen Ansatz zur Verbesserung der Speicherleistung von Batterien und Kondensatoren. Die Forscher entwickelten einen einfachen, aber effizienten Weg, um ein Material mit hervorragender Leistung für den Einsatz in Geräten herzustellen, die auf Lithium-Ionen-Speicherung angewiesen sind.
Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Nanoforschung am 1. April.
Warum Lithium?
Energiespeichertechnologien werden immer wichtiger, da sich die Welt in Richtung CO2-Neutralität bewegt und versucht, den Automobil- und erneuerbaren Energiesektor weiter zu elektrifizieren. Die Lithium-Ionen-Technologie ist entscheidend, um diesen Wandel voranzutreiben.
„Von allen verfügbaren Kandidaten könnten Energiespeicher mit Lithium-Speicherchemie wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Kondensatoren derzeit die beste Leistung erbringen“, sagt Studienautor Han Hu, Forscher am Institut of New Energy, China University of Petroleum.
Die Nutzung der Lithium-Ionen-Technologie in der Energiespeicherung ist jedoch durch ihre Effizienz im Verhältnis zur Größe begrenzt. Eine von den Autoren zitierte Studie aus dem Jahr 2021 behauptet, dass Lithium-Ionen-Batterien sowohl nach Gewicht als auch nach Volumen effizienter werden müssen, um die Wettbewerbsfähigkeit von Elektrofahrzeugen auf dem Markt zu verbessern. Eine weitere Verbesserung der Speicherkapazität kann daher der Schlüssel zum Erreichen der Ziele der Kohlenstoffneutralität sein, wodurch die Forschung zur Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und Kondensatoren durch die Verwendung neuartiger Materialien von größter Bedeutung wird.
Konstruktion eines neuartigen Materials
Mit Stickstoff dotierte kohlenstoffhaltige Materialien sind die derzeit vorherrschende Wahl in Lithium-Akkumulatoren und -Kondensatoren, wobei Elektronen- und Ionentransfer die grundlegenden Prozesse für die elektrochemische Energiespeicherung sind. Da kohlenstoffhaltige Materialien jedoch unpolar sind – mit gleichmäßig über ihre Moleküle verteilten Ladungen – haftet das geladene Lithium (Li+) trotz seiner ungesättigten Konfiguration, die ihm eine geeignete Bindungsenergie verleiht, nicht leicht an den Materialien.
Die Forscher verbanden daher Kohlenstoff-Nanofasern mit Eisen (Fe), um ihre Oberflächenchemie so zu regulieren, dass ein erhöhter Elektronen- und Ionentransfer erleichtert wird. Mittels Elektrospinning stellten sie eine Reihe von Kohlenstoff-Nanofaserproben mit Fe-Gehalten her. Anschließend bewerteten sie die Li+-Speicherleistung der Proben mithilfe verschiedener elektrochemischer Testmethoden. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie zeigten ein 3D-verbundenes Netzwerk aus glatten Fasern ohne Klumpen von Eisenpartikeln, was darauf hindeutet, dass sie gut verteilt waren.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von atomarem Fe die elektronische Struktur der Kohlenstoffmaterialien veränderte, um eine höhere elektrische Leitfähigkeit zu fördern und den Diffusionswiderstand des Li+ zu verringern. Die Forscher erklären, dass die elektrochemische Leistung hauptsächlich durch einen synergistischen Effekt des atomaren Fe und die Bildung einer Fe-N-Bindung verbessert wurde, die aktivere Gitter freilegte, an denen Li+ haften konnte. Das Ergebnis war eine Verbesserung der Lithiumspeicherleistung. Die hergestellte Anode lieferte über 5000 Zyklen mit hoher Stromdichte anhaltend elektrische Energie und lieferte sowohl eine hohe Energie als auch eine große Leistungsdichte. Seine verflochtene Faserstruktur verlieh strukturelle Stabilität und verbesserte Leitfähigkeit.
Studienautor Yanan Li, ebenfalls Forscher an der China University of Petroleum, erklärt, wie die in dieser Studie bahnbrechende Materialkonformation „eine kinetisch beschleunigte Li+-Speicherung und eine anständige Leistung bei hohen Massenbelastungen erzielte“, indem „eine einfache Methode zur Herstellung von atomarem Fe-dekoriertem Kohlenstoff verwendet wurde“. Nanofasern.“
Ich freue mich auf
Die Studienautoren betonen, dass der Einsatz von Kohlenstoff-Nanofasern die Lücke zwischen Grundlagenforschung und praktischer Anwendung schließen könnte. Sie gehen davon aus, dass das neuartige Material zur Verwendung in einer Reihe von Energiespeichergeräten eingesetzt wird. „Die elektrogesponnenen Kohlenstoff-Nanofasermatten sind hochflexibel, was auf ihre Möglichkeit hindeutet, flexible und tragbare Energiespeicher zu konstruieren“, sagt Hu. Die Kohlenstoff-Nanofasermatten würden als Elektroden dienen. Außerdem wollen die Forscher, so die Forscher, die Verwendung anderer Einzelatommetalle wie Natrium, Kalium und Zink zur Steigerung der Speicherung elektrochemischer Energie untersuchen.
Qian Xu et al, Kinetisch beschleunigte und mit hoher Masse beladene Lithiumspeicherung, die durch Atomeisen-eingebettete Kohlenstoff-Nanofasern ermöglicht wird, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4266-x
Alvaro Masias et al, Chancen und Herausforderungen von Lithium-Ionen-Batterien in Automobilanwendungen, ACS Energiebriefe (2021). DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02584
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press