Dieses neuartige Material kann in Li-Ionen-Batterien für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter Elektrofahrzeuge, Drohnen und ultrakleine elektronische Geräte, auch bei niedrigen Temperaturen.
Derzeit wird Graphit aufgrund seiner thermodynamischen Stabilität und seiner geringen Kosten als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Batterien mit Graphitanoden haben jedoch erhebliche Nachteile: Ihre Speicherkapazität nimmt bei Minustemperaturen stark ab, und während des Ladevorgangs können sich Dendriten auf der Anodenoberfläche bilden. Dies kann zu einem thermischen Durchgehen und potenziellen Explosionen führen.
Entladekapazität nimmt zu
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Jungjoon Yoo, Dr. Kanghoon Yim und Dr. Hyunuk Kim am KIER hat ein redoxaktives, leitfähiges metallorganisches Gerüst namens SKIER-5 entwickelt. Dieses Gerüst besteht aus einem organischen Liganden auf Trianthren-Basis und Nickel-Ionen. SKIER-5 wies eine Entladekapazität auf, die fünfmal höher war als die von Graphit in einer Umgebung unter 0 °C.
Die SKIER-5-Anode erreichte eine Entladekapazität von 440 mAh/g und übertraf damit die 375 mAh/g einer Graphitelektrode bei Raumtemperatur. Bemerkenswert ist, dass die Kapazität nach 1.600 Lade-/Entladezyklen um das 1,5-fache (600 mAh/g) anstieg. Dies ist ein außergewöhnliches Ergebnis, da die Entladekapazität bei wiederholten Lade-/Entladezyklen normalerweise abnimmt.
Leistung durch Röntgenanalysen bestätigt
Das Forscherteam bestätigte den Redox-Mechanismus von SKIER-5 mit Hilfe von Hochfluss-Röntgenanalysen im Pohang Accelerator Laboratory. Im Gegensatz zu Graphit interagiert SKIER-5, das Nickelionen und organische Liganden auf Heteroatombasis (N, F, S) enthält, mit Li-Ionen, um Redoxreaktionen mit Elektronenübertragung auszulösen. Dieser Prozess ermöglicht eine erhöhte Elektronenspeicherung, was zu einer höheren Entladekapazität führt.
SKIER-5 erreichte eine Entladungskapazität von 150 mAh/g, was fünfmal höher ist als die von Graphit bei -20 °C. Diese verbesserte Leistung wird darauf zurückgeführt, dass SKIER-5 im Vergleich zu Graphit eine niedrigere Mindestenergieschwelle für die Auslösung chemischer Reaktionen aufweist. Folglich bleibt die Leistung von SKIER-5 in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, in denen die Reaktionsgeschwindigkeit normalerweise abnimmt, stabil.
Das Funktionsprinzip von SKIER-5 wurde durch quantenchemische Berechnungen nach den ersten Prinzipien validiert. Das Forschungsteam bestimmte zunächst die kristalline Struktur von SKIER-5, die mit der Röntgenstrukturanalyse übereinstimmte, und sagte die Lithium-Adsorptionsstellen voraus, um die theoretische Kapazität und die Reaktionsspannung des Materials durch Berechnungen vorherzusagen. Die vorhergesagten Werte stimmten gut mit den experimentellen Ergebnissen überein und bestätigten die erstaunliche Leistung von SKIER-5 als Li-Batterieanode.
Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.
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