de.wedoany.com-Bericht: Forscher im Labor von Julia R. Greer am California Institute of Technology (Caltech) haben eine neue Methode zur Herstellung dreidimensionaler Batteriekathoden entwickelt, die darauf abzielt, die Sicherheit zukünftiger Batterien zu verbessern, die Umweltbelastung zu verringern und die Leistung zu steigern.
Diese neuartige Kathode ersetzt giftiges, teures und ethisch problematisch abgebautes Kobalt durch Lithium-Eisenphosphat (LFP), das in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet ist. Lithium-Eisenphosphat ist bei Überladung sicherer und neigt weniger zu Bränden oder Kurzschlüssen. Durch die Neugestaltung der inneren Batteriestruktur haben die Forscher die Einschränkungen überwunden, die normalerweise mit der geringeren Leistungsfähigkeit von LFP verbunden sind.
Yingjin Wang, ein Doktorand im Greer-Labor, erklärte, dass das Team eine universelle Methode entwickelt habe, um mit sichereren Materialien dreidimensionale Batterieelektroden herzustellen. Durch die Kombination von Lithium-Eisenphosphat (allgemein als LFP bekannt) mit einer Kohlenstoffmatrix verbessert das Design die mechanische Robustheit der Batterie, während gleichzeitig die Verwendung von gefährlichem Kobalt vermieden wird.
Lithium-Ionen-Batterien, die Hauptstromquelle für moderne Mobilgeräte, Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energienetze, bestehen aus fünf Kernkomponenten: Anode, Kathode, flüssigem Elektrolyt, Separator und Stromkollektor. Trotz ihres bedeutenden kommerziellen Werts weist das Standarddesign anhaltende Sicherheitsrisiken und Leistungseinschränkungen auf. Die neuen Fortschritte bieten durch die Neugestaltung der Batterie eine Richtung für sicherere, umweltfreundlichere und leistungsstärkere Energiespeichertechnologien.
Während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien auf flachen, zweidimensionalen Elektroden basieren, führt die neue Forschung eine räumliche Kathodenstruktur ein, die mittels 3D-Druck hergestellt wird. Der Übergang von einem flachen zu einem 3D-Design maximiert die aktive Oberfläche für die Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Greer erklärte, dass diese Struktur die Entkopplung von Festkörper- und Flüssigkeitsdiffusionswegen ermöglicht; während der flüssige Elektrolyt durch die labyrinthartige Struktur fließt, steht an jeder Stelle eine feste Oberfläche zur Verfügung. Gleichzeitig verringert das Design die Tortuosität und verkürzt den physikalischen Bewegungsweg der Ionen zwischen Kathode und Separator, wodurch die Leistungsdichte der Batterie erhöht wird und sie gespeicherte Energie schneller freisetzen kann.
Die Kathoden aktueller Lithium-Ionen-Batterien sind auf Kobalt angewiesen, dessen Lieferkette von unethischen Abbaupraktiken geplagt wird und das Material selbst Sicherheitsrisiken birgt. Im Vergleich dazu ist Lithium-Eisenphosphat ein sichererer Ersatz, dessen stabile chemische Eigenschaften das Risiko von thermischem Durchgehen oder Kurzschlüssen verringern. Greer wies darauf hin, dass LFP selbst kein neues Material sei, aber die Verwendung additiver Fertigungsmethoden (d. h. 3D-Druck) zur Herstellung kobaltfreier Strukturelektroden sei neu. Der nächste Meilenstein der Forscher ist die Entwicklung einer passenden 3D-Struktur-LFP-Anode, um eine vollständige 3D-Strukturbatterie mit hoher Energie- und Leistungsdichte zu realisieren. Angesichts des frühen Forschungsstadiums und der komplexen Fertigungsparameter wird dies eine äußerst anspruchsvolle fertigungstechnische Herausforderung darstellen. Das ultimative Ziel des Teams ist die Integration eines polymerbasierten Elektrolyten, um eine echte Festkörperbatterie zu erreichen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht.
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