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Um sicherere und leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien herzustellen, ist das richtige Rezept erforderlich
May 23, 2018

Um sicherere und leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien herzustellen, ist das richtige Rezept erforderlich

11. Mai 2018 von Jared Pike, Purdue Universität

Weitere Informationen: Aashutosh N. Mistry et al. Stochastik der Sekundärphase in Lithium-Ionen-Batterieelektroden, ACS Applied Materials & Interfaces (2018). DOI: 10.1021 / acsami.7b17771  

Zur Verfügung gestellt von der Purdue University

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Ein Team der Purdue University hat Forschungsarbeiten veröffentlicht, die die Beziehung zwischen den aktiven und inaktiven Elementen von Lithium-Ionen-Batterien untersuchen und wie sich die Mikro- und Nanostruktur ihrer jeweiligen Inhaltsstoffe auf die Leistung und Sicherheit der Batterien auswirkt.

 

Die Studie wurde kürzlich auf der Titelseite der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces vorgestellt.

 

"Wiederaufladbare Batterien gibt es überall", sagte Partha Mukherjee, außerordentliche Professorin für Maschinenbau und Hauptforscherin der Forschung. "Wir tragen wahrscheinlich immer zwei oder drei tragbare Elektronik bei uns. Aber die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Elementen der Batterie selbst sind noch nicht klar geklärt. Meine Forschung hofft, diese Lücke zu schließen."

 

In Mukherjees Labor, dem Energy and Transport Sciences Laboratory (ETSL), untersuchen Forscher alle Formen von Energietransport und -speicherung, einschließlich Batterien und Brennstoffzellen. Sie verwenden Computermodellierung, um neue Konfigurationen der beteiligten Elemente vorzuschlagen und dann verschiedene Phänomene im Labor zu testen.

 

"Es ist wie Kuchen backen", sagte Aashutosh Mistry, ein Ph.D. Kandidat im Maschinenbau. "Wie viel Teig solltest du verwenden? Wie viel Kirsche solltest du hineinstecken, damit es schmeckt?" Auf die gleiche Weise betrachten wir die grundlegenden Proportionen oder das Rezept dieser Batterieelektroden. Alles, was du im Mikrobereich änderst, endet Auswirkungen auf die Gesamtleistung. "

 

https://youtu.be/_mK_mDmhjIg

 

"Nehmen wir zum Beispiel Elektrofahrzeuge", sagte Mukherjee. "Menschen sind an drei Dingen interessiert. Leistung: Wie schnell kann ich mein Auto fahren? Leben: Wie lange kann ich mein Auto fahren, bevor ich es auflade? Und schließlich, Sicherheitsbedenken. Wir haben gesehen, wie diese Batterien öffentlich, auf spektakuläre Weise versagt haben, explodieren in Smartphones und Elektroautos. Daher sind alle drei Aspekte - Leistung, Leben und Sicherheit - sehr wichtig. Es kann eine schwierige Balance sein, alles genau richtig zu machen. "

 

Manchmal arbeitet ihr Labor daran, die spektakulären Versager absichtlich neu zu erschaffen. In einem typischen Elektroauto sind die Batterien keine massive Einheit, sondern tausende Einzelzellen, die miteinander verdrahtet sind. Wenn einer scheitert, was passiert mit den anderen in der Nähe? Für einen Test wurde ein Probenmodul von 24 Zellen (ungefähr die Größe eines Ziegelsteines) absichtlich überladen. Eine Zelle explodierte, was zu einer Kettenreaktion führte, bei der alle Zellen in Brand gerieten.

 

"Die Temperatur und der Druck in einer Zelle sind so hoch, dass die Metallhülle geschmolzen ist und Feuer gefangen hat", sagte Ph.D. Kandidat Daniel Robles, als er eine Plastiktüte der verkohlten Überreste hielt. "In einem Elektroauto gibt es mehrere tausend dieser Zellen , und diese befinden sich unter deinem Sitz! Deshalb ist es wichtig, die Grundlagen dieser Phänomene zu verstehen, damit wir verhindern können, dass sie passieren."

 

Wiederaufladbare Batterien enthalten typischerweise eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, die aus "aktivem Material" bestehen, um Lithium zu speichern. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Separator, und überall befindet sich flüssiger Elektrolyt, um Lithiumionen zu transportieren. Schließlich hilft eine Kombination von elektrochemisch inaktiven Materialien, wie leitfähigen Additiven und Bindemitteln (als "sekundäre Phase" bezeichnet), die physikalischen Bestandteile in den porösen Verbundelektroden zu formen und die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. In der veröffentlichten Studie untersuchen Mukherjee und sein Team die Beziehung zwischen dem aktiven Material und der sekundären Phase auf der Mikro- und Nanoskala - die Porosität, die physikalischen Formen und ihre Wechselwirkungen miteinander. Die Änderung einer dieser Eigenschaften führt zu signifikanten Änderungen der Gesamtleistung der Batterie.

 

"Wir sind noch in der Entstehungsphase, um diese komplexen Wechselwirkungen zu verstehen", sagte Mukherjee. "Aber das ist der Schlüssel zu unserer Forschung. Wir verbinden, was im Mikro- und Nanobereich passiert, mit der Leistung, dem Leben und der Sicherheit der Batterie."

 

Und da wiederaufladbare Batterien häufiger werden, wird ihre Forschung noch wichtiger. "Batterien werden überall eingesetzt, von der tragbaren Elektronik über Fahrzeuge bis hin zu großen Stromnetzen. Dies ist eine großartige und aufregende Zeit, um Energiespeicher zu erforschen."


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