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ChemikerInnen entwickeln neues Material für die Anode von Akkus
Wien (universität) - Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, wie sie in Smartphones und Notebooks zum
Einsatz kommen, stoßen zunehmend an Leistungsgrenzen. Materialforscher Freddy Kleitz von der Fakultät
für Chemie der Universität Wien hat mit internationalen WissenschafterInnen nun ein neues nanostrukturiertes
Material für die Anode von Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, das den Batterien mehr Leistung und Lebensdauer
bringt. Das Material aus Basis eines halbporösen Mischmetalloxids in Kombination mit Graphen könnte einen
Ansatz bieten, um die Batterien in Großgeräten wie Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen besser nutzen zu
können. Die Arbeit wurde nun als Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe von "Advanced Energy Materials"
veröffentlicht.
Eine hohe Energiedichte, eine hohe Anzahl an Ladezyklen und keinen Memory-Effekt: Lithium-Ionen-Akkus sind die
am weitesten verbreiteten Energiespeicher für mobile Geräte sowie Hoffnungsträger für die Elektromobilität.
Die Forschung sucht nach neuen Typen von aktivem Eletrodenmaterial, um die Batterien noch leistungsfähiger,
langlebiger und damit auch besser nutzbar für Großgeräte zu machen. "Nanostrukturiertes Material
für Lithium-Ionen-Akkus kann hier einen erfolgreichen Weg vorgeben", sagt Freddy Kleitz vom Institut
für Anorganische Chemie, der gemeinsam mit Claudio Gerbaldi, Leiter der Gruppe für Angewandte Material-
und Elektrochemie am Politecnico di Torino (Italien), Erstautor der Studie ist.
Die von den zwei Forschern und ihren Teams entwickelte neue nanostrukturierte 2D/3D-Verbindung aus Mischmetalloxiden
und Graphen steigerte deutlich die elektrochemische Leistung der Akkus: "Die Batteriekapazität war mit
bis zu über 3.000 reversiblen Ladezyklen, sogar bei sehr hohen Strombelastungen von bis zu 1.280 Milliampere,
bespiellos", so Institutsvorstand Kleitz. Heutige Lithium-Ionen-Akkus verlieren nach etwa 1.000 Ladezyklen
an Leistungsfähigkeit.
Neue Rezeptur
Die Anode handelsüblicher Lithium-Ionen-Akkus besteht häufig aus einem Kohlenstoff-Material wie Graphit.
"Metalloxide weisen eine höhere Batteriekapazität als Graphit auf, sind aber eher instabil und wenig
leitfähig", so Kleitz. Die ForscherInnen haben einen Weg gefunden, die positiven Eigenschaften beider
Stoffe in einer neuartigen Verbindung bestmöglich zu nutzen. Sie haben eine neue Familie für aktives
Elektrodenmaterial aus halbdurchlässigen Mischmetalloxiden, bestehend aus Kupfer und Nickel, in Kombination
mit dem elektrisch leitfähigen und stabilisierend wirkenden Graphen entwickelt. Das Material weist im Vergleich
zu den meisten bereits bekannten Metalloxid-Nanostrukturen und Verbundwerkstoffen überlegene Eigenschaften
auf.
Um das Mischmetall mit Anteilen von Kupfer und Nickel kontrolliert und homogen erstellen zu können, entwickelten
sie eine neue Kochprozedur für die Metalle. Unter Einsatz des Nanocasting-Verfahrens – einer Methode zur Herstellung
von mesoporöser Materialien – schuf das Team anschließend geordnete nanoporöse Mischmetall-Oxid-Kügelchen,
die aufgrund ihres weitflächigen Netzwerkes an Poren eine sehr hohe aktive Reaktionsfläche für den
Austausch mit den Lithium-Ionen aus dem Elektrolyt der Batterie aufweisen. Über ein anschließendes Sprühtrockenverfahren
werden die Mischmetalloxid-Partikel mit hauchdünnen 2D-Graphenschichten ummantelt und von diesen durchdrungen.
Einfaches und effizientes Design
Die Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus für die Elektromobilität gilt aus Umweltsicht, z.B. aufgrund
ihrer rohstoffintensiven Produktion, als eher problematisch. Kleine Akkus, die möglichst viel Energie speichern
können, lange halten und nicht zu kostenintensiv in ihrer Herstellung sind, könnten ihren Einsatz in
Großgeräten vorantreiben. "Im Vergleich zu den bestehenden Ansätzen ist unsere innovative
Design-Strategie für leistungsfähiges und langlebiges Anodenmaterial einfach und effizient. Es handelt
sich um einen wasserbasierten Prozess und ist von daher umweltfreundlich und bereit zur Anwendung auf industrieller
Ebene", so die Studienautoren.
Publikation in Advanced Energy Materials
Spray-Dried Mesoporous Mixed Cu-Ni Oxide@Graphene Nanocomposite
Microspheres for High Power and Durable Li-Ion Battery Anodes. Louis Lefrançois Perreault Francesca Colò
Giuseppina Meligrana Kyoungsoo Kim Sonia Fiorilli Federico Bella Jijeesh R. Nair Chiara Vitale-Brovarone
Justyna Florek Freddy Kleitz Claudio Gerbaldi. In Advanced Energy Materials, DOI: 10.1002/aenm.201802438
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