de.wedoany.com-Bericht: Ein gemeinsames Forschungsteam der Sungkyunkwan-Universität (SKKU) und der Seoul National University hat ein neuartiges Hybrid-Polymerbindemittel entwickelt, das sich zur Herstellung dickerer Lithium-Ionen-Batterieelektroden eignet, wodurch die Energiedichte erhöht und die Batterielebensdauer verlängert wird. Tests zeigen, dass Pouch-Zellen mit diesem Material nach mehr als 200 Lade-Entlade-Zyklen noch 86,8 % ihrer Anfangskapazität behalten – die Lebensdauer ist gegenüber herkömmlichen Batterien mehr als verdoppelt.
Die Studie wurde von Professor Ki-Jae Kim vom Fachbereich Energiewissenschaft und der Abteilung für Zukunftstechnik im Energiewesen der Sungkyunkwan-Universität geleitet und in Zusammenarbeit mit dem Team von Jang Wook Choi an der Seoul National University durchgeführt. Der branchenspezifische Schmerzpunkt, auf den sich die Forschung konzentriert: Eine größere Elektrodendicke erhöht zwar die Energiespeicherkapazität der Batterie, doch Herstellungsprozessprobleme verringern die Zyklenleistung und Lebensdauer der Batterie erheblich.
Die Ursache des Problems liegt im Elektrodenbindemittel. Das derzeit branchenweit übliche Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Bindemittel neigt beim Trocknen dicker Elektroden zur Migration an die Oberfläche, was zu Rissen und Ablösungen in der Elektrode führt, die strukturelle Integrität schwächt, die Bewegung der Lithium-Ionen behindert und die Batteriedegradation beschleunigt. Das Forschungsteam entwickelte ein neuartiges Doppelwirkungs-Hybridbindemittel namens DHP, das aus hochelastischen Elastomerfasern (Spandex) und Polyacrylsäure (PAA), die gut mit dem Elektrodenmaterial interagiert, besteht. Die komplementären Eigenschaften der beiden Polymere erhalten die strukturelle Integrität unter dicken Elektrodenbedingungen, verhindern Rissbildung und verbessern gleichzeitig die mechanische Festigkeit und die Lithium-Ionen-Transportleistung.
Die Testergebnisse zeigen, dass das DHP-Bindemittel im Vergleich zum herkömmlichen PVDF-Bindemittel eine nahezu verdoppelte Haftkraft aufweist. In den ersten Lade-Entlade-Zyklen bildet sich spontan eine Grenzfläche zwischen Lithium und PAA, die einen schnelleren und gleichmäßigeren Transport der Lithium-Ionen in der Elektrode fördert und so die elektrochemische Leistung der Batterie verbessert. Das Forschungsteam verifizierte dies zusätzlich durch die Herstellung großformatiger Pouch-Zellen im nahezu industriellen Maßstab: Batterien mit herkömmlichem Bindemittel zeigten nach etwa 95 Lade-Entlade-Zyklen einen starken Kapazitätsabfall und fielen aus, während Batterien mit dem neuartigen Polymer nach mehr als 200 Zyklen noch 86,8 % ihrer Anfangskapazität behielten.
In Bezug auf die Industrialisierung lässt sich diese Technologie über ein Nassverfahren in bestehende Fertigungsabläufe integrieren, ohne dass Produktionslinien umgerüstet oder neue Anlagen investiert werden müssen. Hersteller können mit der vorhandenen Infrastruktur Batterien mit höherer Kapazität produzieren. Professor Ki-Jae Kim erklärte, dass die bisherige Vergrößerung von Elektrodendicke und -abmessungen durch herkömmliche Bindemittel und Prozessprobleme eingeschränkt war; die Kombination der Eigenschaften von Elastomerfasern und Polyacrylsäure habe diese Hürde durchbrochen. Er betonte, dass die neue Technologie direkt in bestehenden Produktionslinien umgesetzt werden könne, ohne auf das aufkommende Trockenherstellungsverfahren zurückgreifen zu müssen, und voraussichtlich eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Reichweite künftiger Elektrofahrzeuge spielen werde.
