Neue Forschungsergebnisse der University of Michigan zeigen, dass Risse in den positiven Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien nicht nur nachteilig sind, sondern tatsächlich die Ladezeit der Batterien verkürzen.
Im Gegensatz zur Ansicht vieler Hersteller von Elektrofahrzeugen, die Risse minimieren wollen, weil sie die Lebensdauer der Batterien verringern, haben Studien gezeigt, dass diese Risse die Ladezeit der Batterien reduzieren können.
Yiyang Li, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Hauptautor der in Energy and Environmental Sciences veröffentlichten Studie, erklärte:
“Viele Unternehmen interessieren sich für ‘Millionenmeilen’-Batterien mit Partikeln, die nicht reißen. Leider würden die Batteriepartikel ohne diese Risse nicht schnell genug laden können, da ihnen die zusätzliche Oberfläche fehlt, die durch diese Risse entsteht.”
Beschleunigung des Ladevorgangs
Die Ergebnisse gelten theoretisch für mehr als die Hälfte aller Elektrofahrzeugbatterien, bei denen die positive Elektrode – oder Kathode – aus Aberbilliarden von mikroskopischen Partikeln besteht, die entweder aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid hergestellt sind.
Die Geschwindigkeit, mit der die Kathode aufgeladen wird, hängt theoretisch vom Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Partikel ab. Kleinere Partikel sollten schneller laden als größere, da sie im Verhältnis zum Volumen eine größere Oberfläche haben und die Lithium-Ionen kürzere Strecken durchlaufen müssen.
Allerdings konnten konventionelle Methoden die Ladeeigenschaften einzelner Kathodenpartikel nicht direkt messen, sondern nur den Durchschnitt aller Partikel, aus denen die Kathode der Batterie besteht. Diese Einschränkung bedeutet, dass die weit verbreitete Annahme, dass zwischen der Partikelgröße und der Ladezeit eine Beziehung besteht, lediglich eine Vermutung war.
Ein Durchbruch in der Forschung
Um das Potenzial von reißenden Kathoden zu entdecken, war die Messung der Ladezeit einzelner Partikel entscheidend. Dies gelang Li und ihrem Team, indem sie die Partikel in ein Gerät einfügten, das normalerweise von Neurowissenschaftlern verwendet wird, um zu untersuchen, wie einzelne Gehirnzellen elektrische Signale übertragen.
Jedes Array ist ein maßgeschneiderter 2×2-Zentimeter-Chip mit bis zu 100 Mikroelektroden. Nachdem einige Kathodenpartikel in die Mitte des Chips gestreut wurden, platzierte Min einzelne Partikel mit einer Nadel, die etwa 70-mal dünner ist als ein menschliches Haar, auf einzelnen Elektroden des Arrays. Sobald sich die Partikel an ihrem Platz befanden, konnte Min bis zu vier Partikel gleichzeitig im Array laden und entladen und in dieser speziellen Studie wurden insgesamt 21 Partikel gemessen.
Das Experiment enthüllte, dass die Ladezeiten der Kathodenpartikel nicht von ihrer Größe abhängen. Li und Min gehen davon aus, dass die wahrscheinlichste Erklärung für dieses unerwartete Verhalten darin besteht, dass größere Partikel tatsächlich wie eine Ansammlung kleinerer Partikel wirken, wenn sie reißen.
Eine andere Möglichkeit ist, dass sich die Lithium-Ionen sehr schnell in den Korngrenzen bewegen – den winzigen Zwischenräumen zwischen den nanoskaligen Kristallen, aus denen das Kathodenpartikel besteht. Li hält dies für unwahrscheinlich, es sei denn, das Elektrolyt der Batterie – das flüssige Medium, in dem die Lithium-Ionen sich bewegen – dringt in diese Grenzen ein und bildet Risse.
Implikationen für die Batterietechnologie
Die Vorteile von rissigen Materialien sind wichtig zu beachten, wenn langlebige Batterien mit Einkristallpartikeln entwickelt werden sollen, die nicht reißen. Um schnell zu laden, könnten diese Partikel kleiner sein als die heutigen reißenden Kathodenpartikel.
Eine Alternative besteht darin, Einkristall-Kathoden mit anderen Materialien herzustellen, die Lithium schneller bewegen können, aber diese Materialien könnten durch die Versorgung mit notwendigen Metallen begrenzt sein oder eine geringere Energiedichte aufweisen, so Li.
Die Erkenntnisse aus dieser Studie könnten dazu beitragen, die Zukunft der Batterietechnologie voranzutreiben und die Entwicklung leistungsstarker, effizienter und schneller aufladbarer Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge zu fördern.
Fazit / Zusammenfassung
Neue Forschungsergebnisse der University of Michigan zeigen, dass Risse in den positiven Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien das Aufladen von Elektrofahrzeugen beschleunigen können. Diese Entdeckung könnte zu verbesserten Batterieentwürfen führen, die schnellere Ladezeiten ermöglichen und die Effizienz und Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen. Die Erkenntnisse könnten auch dazu beitragen, die Herausforderungen der Elektromobilität anzugehen, da die Nachfrage nach schnelleren Ladezeiten und längeren Batterielaufzeiten weiter steigt. Die Forschung in diesem Bereich ist von großer Bedeutung, da sie die Grundlage für die nächste Generation fortschrittlicher Akkutechnologien legt, die eine nachhaltige und umweltfreundliche Mobilität ermöglichen.
Quelle: https://news.umich.edu/cracking-in-lithium-ion-batteries-speeds-up-electric-vehicle-charging/
