Ein klebriges Heilmittel für rissanfällige Hochleistungsbatterien

Wenn Elektroautos jemals Hunderte von Kilometern zwischen den Ladevorgängen zurücklegen sollen – da sie mit Benzinautos konkurrieren müssen – müssen ihre Batterien viel mehr Energie speichern. Leider neigen einige der vielversprechendsten Batteriematerialien mit hoher Kapazität dazu, auf eine Weise zu brechen, die einen elektrifizierten Roadtrip verkürzen würde.



selbstheilende Batterie

Heilkräfte: Risse, die sich in einer selbstheilenden Batterieelektrode nach dem Aufladen gebildet haben (oben), beginnen sich nach fünf Stunden wieder zu versiegeln (unten). Die Elektrode, eine Mischung aus Siliziummikropartikeln und einem selbstheilenden Polymer, wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops abgebildet.

Jetzt haben Forscher der Stanford University gezeigt, dass das Mischen eines solchen vielversprechenden Batteriematerials, Silizium-Mikropartikel, mit selbstheilenden Polymeren dazu beiträgt, den Ausfall einer Batterie mit längerer Lebensdauer zu verhindern. Sie sagen, dass die selbstheilenden Polymere andere vielversprechende, aber anfällige Batteriematerialien stabilisieren könnten.





Die negative Elektrode oder Anode der selbstheilenden Batterie kombiniert Silizium mit Polymeren, die wie chemische Reißverschlüsse wirken und Risse heilen, die sich beim Gebrauch und Aufladen der Batterie bilden.

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Die selbstheilende Batterieelektrode wurde bisher mit reinem Lithiummetall als positive Elektrode getestet, da ihre Speicherkapazität viel größer ist als die jeder herkömmlichen Kathode. Die selbstheilende Elektrode selbst hat die achtfache Speicherkapazität der Kohlenstoffanoden eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. In Verbindung mit einer herkömmlichen Kathode würde daraus eine Batterie entstehen, die etwa 40 Prozent mehr Energie speichert. Gepaart mit einer entsprechend leistungsstarken Kathode würde sich der Gesamtenergiespeicher verdoppeln oder verdreifachen.

Während bisherige Silizium-Akkus nur 10 Mal ent- und wieder aufgeladen werden konnten, bevor sie kaputt gingen, übersteht der selbstheilende Akku 100 Ladezyklen. Aber das ist immer noch nicht genug, räumt Stanford-Materialwissenschaftler ein Yi Cui . Wir müssen auf 500 Zyklen für tragbare Elektronik und ein paar Tausend für Elektrofahrzeuge gehen, sagt Cui.



Dennoch könnte Cuis Ansatz einen neuen Weg für vielversprechende Materialien bieten, die ins Stocken geraten sind. Dies weist auf einen Weg hin, um ein allgemeines Problem mit hoher zu lösen - Kapazität Anoden, sagt Paul Braun , ein Materialwissenschaftler an der University of Illinois in Urbana-Champaign, der nicht an der Arbeit beteiligt ist.

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Siliziumanoden nehmen große Mengen Lithium auf, wenn die Batterie geladen wird, und geben das gesamte Lithium wieder ab, wenn die Batterie verwendet wird. Solche Anoden können auf kleinem Raum viel Energie speichern, ihre hohe Kapazität belastet jedoch die Materialien, aus denen sie bestehen: Wenn große Mengen Lithium in die Batterie ein- und austreten, dehnt sich das Silizium aus und zieht sich zusammen, die Anoden beim ersten Gebrauch knacken; dasselbe passiert mit Anoden aus Zinn und Germanium.

Für die selbstheilende Batterie arbeitete Cui mit einem anderen Stanford-Forscher zusammen, Zhenan Bao , der zuvor eine selbstheilende elektronische Haut auf Basis eines dehnbaren, klebrigen Polymers entwickelt hatte (siehe Elektrische Haut, die mit der Realität konkurriert).

selbstheilende Batterie

Netzteil: Dieser Prototyp einer Lithium-Ionen-Batteriezelle verwendet eine selbstheilende Siliziumelektrode.



Wenn das Polymer gebrochen ist, fließt es wieder zusammen. Die Gruppe mischte einige leitfähige Kohlenstoffpartikel ein, um sicherzustellen, dass das Polymer, das nicht leitfähig ist, den Stromfluss durch die Batterie nicht behindert. Diese klebrige Mischung wurde dann mit Siliziummikropartikeln kombiniert, um eine Anode herzustellen. Wenn der Akku geladen und entladen wird, dehnt sich das Silizium immer noch aus, zieht sich zusammen und bricht, aber das Polymer zieht alles wieder zusammen. Normalerweise verliert man den elektrischen Kontakt, sobald die Anode bricht, sagt Cui. Das selbstheilende Polymer bindet die gebrochenen Teile wieder zusammen.

Es gibt andere Möglichkeiten, mit der Rissneigung von Silizium umzugehen. Cuis Gruppe hat mit nanostrukturierten Siliziumformen experimentiert, einschließlich Nanodrähten, die den Belastungen beim Laden und Wiederaufladen standhalten. Nanostrukturierte Siliziumanoden wie diese werden entwickelt von Mehr , ein Unternehmen in Sunnyvale, Kalifornien, das Cui mitbegründet hat. Forscher und Unternehmen lernen jedoch immer noch über diese Nanomaterialien. Es ist leicht, ein kleines Fläschchen mit nanostrukturiertem Silizium in die Finger zu bekommen, aber 50 oder 60 Tonnen zu vernünftigen Kosten herzustellen, ist ein großes Problem, das nicht gelöst wurde, sagt Braun.

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Cui sagt, dass die Kombination von Mikropartikeln mit dem heilenden Polymer für Hochleistungsbatterien kostengünstiger und praktischer sein könnte als Ansätze, die teure Nanomaterialien erfordern. Die bei der Demonstration der selbstheilenden Batterie verwendeten Silizium-Mikropartikel können in großen Mengen ab Lager gekauft werden und sind nicht sehr teuer.

Nancy sottos , ein Materialwissenschaftler an der University of Illinois in Urbana-Champaign, hat noch einen weiteren Ansatz entwickelt: Sottos mischt Kapseln mit heilenden Materialien in die Batteriematerialien. Ein solches Material ist eine Blase, die platzt, um leitfähiges Metall freizusetzen, um elektrische Verbindungen in einer beschädigten Batterie zu heilen. Ihre Gruppe hat mit dieser Methode frühe Machbarkeitsdemonstrationen durchgeführt.

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Yuegang Zhang , ein Batterieforscher am Lawrence Berkeley National Laboratory, sagt, dass das selbstheilende Bindemittel von Stanford vielversprechend für andere Arten von Batteriematerialien mit hoher Kapazität, wie z. B. Zinn, ist. Zhang hat in seiner eigenen Arbeit einen anderen Ansatz gewählt, indem er Zinn-Nanostrukturen mit dehnbarem, starkem, leitfähigem Graphen vermischt, um die Anoden zusammenzuhalten. Angesichts der geringen Häufigkeit, mit der Cuis Siliziumbatterien wieder aufgeladen werden können, sagt er, Silizium habe immer noch Probleme, aber ich mag diese Idee.

Cui und Bao arbeiten nun nach der ersten Demonstration an Korrekturen, die es ihrer selbstheilenden Siliziumbatterie ermöglichen würden, mehr Ladezyklen zu durchlaufen. Wir fangen gerade erst an, sagt Cui.

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