07 (Nanowerk-Neuigkeiten) Futuristische Fortschritte in den Bereichen KI und Gesundheitswesen standen auf der technischen Extravaganz der Consumer Electronics Show (CES) 2024 im Rampenlicht. Der entscheidende Faktor im Herzen dieser Innovationen ist jedoch die Batterietechnologie, die eine höhere Energieeffizienz ermöglicht. Wichtig ist, dass diese Technologie bei Elektrofahrzeugen am intensivsten eingesetzt wird. Heutige Elektrofahrzeuge können mit einer einzigen Ladung etwa 700 km weit fahren, während Forscher eine Batteriereichweite von 1,000 km anstreben. Forscher erforschen intensiv die Verwendung von Silizium, das für seine hohe Speicherkapazität bekannt ist, als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge. Doch trotz seines Potenzials bleibt die praktische Anwendung von Silizium ein Rätsel, an dessen Lösung die Forscher immer noch hart arbeiten. Betreten werden Professor Soojin Park, Doktorand Minjun Je und Dr. Hye Bin Son vom Fachbereich Chemie der Pohang University of Science and Technology (POSTECH). Sie haben den Code geknackt und ein taschenfreundliches und grundsolides Li-Ionen-Batteriesystem der nächsten Generation mit hoher Energiedichte entwickelt, das Mikrosiliziumpartikel und Gel-Polymer-Elektrolyte verwendet. Diese Arbeit wurde veröffentlicht in Fortgeschrittene Wissenschaft („Formulierung elektronenstrahlinduzierter kovalenter Bindungen für eine stabile Silizium-Mikropartikelanode mit hoher Energiedichte“).
Kovalente Bindungsbildung zwischen Mikrosilizium und Gelelektrolyt durch einen Elektronenstrahlprozess. (Bild: POSTECH) Der Einsatz von Silizium als Batteriematerial birgt Herausforderungen: Es dehnt sich beim Laden um mehr als das Dreifache aus und zieht sich beim Entladen wieder auf seine ursprüngliche Größe zurück, was die Batterieeffizienz erheblich beeinträchtigt. Verwendung von Silizium in Nanogröße (10-9 m) löst das Problem teilweise, aber der anspruchsvolle Produktionsprozess ist komplex und astronomisch teuer, was ihn zu einer herausfordernden Budgetmaßnahme macht. Im Gegensatz dazu ist Silizium in Mikrogröße (10-6m ) ist im Hinblick auf Kosten und Energiedichte hervorragend praktisch. Allerdings wird das Problem der Ausdehnung der größeren Siliziumpartikel während des Batteriebetriebs immer deutlicher, was die Verwendung als Anodenmaterial einschränkt. Das Forschungsteam verwendete Gel-Polymer-Elektrolyte, um ein wirtschaftliches und dennoch stabiles Batteriesystem auf Siliziumbasis zu entwickeln. Der Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie ist eine entscheidende Komponente, die die Bewegung der Ionen zwischen Kathode und Anode erleichtert. Im Gegensatz zu herkömmlichen flüssigen Elektrolyten liegen Gelelektrolyte in einem festen oder gelförmigen Zustand vor und zeichnen sich durch eine elastische Polymerstruktur aus, die eine bessere Stabilität aufweist als ihre flüssigen Gegenstücke. Das Forschungsteam nutzte einen Elektronenstrahl, um kovalente Bindungen zwischen Mikrosiliziumpartikeln und Gelelektrolyten herzustellen. Diese kovalenten Bindungen dienen dazu, interne Spannungen zu zerstreuen, die durch die Volumenausdehnung während des Lithium-Ionen-Batteriebetriebs entstehen, wodurch Änderungen im Mikrosiliziumvolumen abgemildert und die strukturelle Stabilität verbessert werden. Das Ergebnis war bemerkenswert: Die Batterie zeigte selbst mit Mikrosiliziumpartikeln (5 μm), die hundertmal größer waren als diejenigen, die in herkömmlichen Nanosiliziumanoden verwendet werden, eine stabile Leistung. Darüber hinaus zeigte das vom Forschungsteam entwickelte Silizium-Gel-Elektrolytsystem eine ähnliche Ionenleitfähigkeit wie herkömmliche Batterien mit flüssigen Elektrolyten, mit einer etwa 40-prozentigen Verbesserung der Energiedichte. Darüber hinaus ist das System des Teams aufgrund seines unkomplizierten Herstellungsprozesses, der sofort einsatzbereit ist, von großem Wert. Professor Soojin Park betonte: „Wir haben eine Mikrosiliziumanode verwendet, dennoch haben wir eine stabile Batterie. Diese Forschung bringt uns einem echten Lithium-Ionen-Batteriesystem mit hoher Energiedichte näher.“
Kovalente Bindungsbildung zwischen Mikrosilizium und Gelelektrolyt durch einen Elektronenstrahlprozess. (Bild: POSTECH) Der Einsatz von Silizium als Batteriematerial birgt Herausforderungen: Es dehnt sich beim Laden um mehr als das Dreifache aus und zieht sich beim Entladen wieder auf seine ursprüngliche Größe zurück, was die Batterieeffizienz erheblich beeinträchtigt. Verwendung von Silizium in Nanogröße (10-9 m) löst das Problem teilweise, aber der anspruchsvolle Produktionsprozess ist komplex und astronomisch teuer, was ihn zu einer herausfordernden Budgetmaßnahme macht. Im Gegensatz dazu ist Silizium in Mikrogröße (10-6m ) ist im Hinblick auf Kosten und Energiedichte hervorragend praktisch. Allerdings wird das Problem der Ausdehnung der größeren Siliziumpartikel während des Batteriebetriebs immer deutlicher, was die Verwendung als Anodenmaterial einschränkt. Das Forschungsteam verwendete Gel-Polymer-Elektrolyte, um ein wirtschaftliches und dennoch stabiles Batteriesystem auf Siliziumbasis zu entwickeln. Der Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie ist eine entscheidende Komponente, die die Bewegung der Ionen zwischen Kathode und Anode erleichtert. Im Gegensatz zu herkömmlichen flüssigen Elektrolyten liegen Gelelektrolyte in einem festen oder gelförmigen Zustand vor und zeichnen sich durch eine elastische Polymerstruktur aus, die eine bessere Stabilität aufweist als ihre flüssigen Gegenstücke. Das Forschungsteam nutzte einen Elektronenstrahl, um kovalente Bindungen zwischen Mikrosiliziumpartikeln und Gelelektrolyten herzustellen. Diese kovalenten Bindungen dienen dazu, interne Spannungen zu zerstreuen, die durch die Volumenausdehnung während des Lithium-Ionen-Batteriebetriebs entstehen, wodurch Änderungen im Mikrosiliziumvolumen abgemildert und die strukturelle Stabilität verbessert werden. Das Ergebnis war bemerkenswert: Die Batterie zeigte selbst mit Mikrosiliziumpartikeln (5 μm), die hundertmal größer waren als diejenigen, die in herkömmlichen Nanosiliziumanoden verwendet werden, eine stabile Leistung. Darüber hinaus zeigte das vom Forschungsteam entwickelte Silizium-Gel-Elektrolytsystem eine ähnliche Ionenleitfähigkeit wie herkömmliche Batterien mit flüssigen Elektrolyten, mit einer etwa 40-prozentigen Verbesserung der Energiedichte. Darüber hinaus ist das System des Teams aufgrund seines unkomplizierten Herstellungsprozesses, der sofort einsatzbereit ist, von großem Wert. Professor Soojin Park betonte: „Wir haben eine Mikrosiliziumanode verwendet, dennoch haben wir eine stabile Batterie. Diese Forschung bringt uns einem echten Lithium-Ionen-Batteriesystem mit hoher Energiedichte näher.“
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64611.php
