Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien auf der Grundlage von negativen Elektroden auf Folienbasis

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von pv magazine Global

Bei der Verwendung in einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie bricht Aluminium und versagt innerhalb weniger Lade-/Entladezyklen. Der Grund dafür ist, dass es sich ausdehnt und zusammenzieht, während das Lithium in das Material hinein- und wieder herauswandert. Die mögliche Anwendung von Aluminium in Batterien wurde in der Vergangenheit untersucht, jedoch ohne Erfolg.

Nun haben Forscher am Georgia Institute of Technology in den USA Lithium-Ionen-Batteriezellen im Labormaßstab entwickelt, deren negative Elektroden auf Basis von nicht vorlithiiertem Aluminiumfolienmaterial eine höhere Energiedichte und Stabilität aufweisen.

„Dies ist eine Geschichte über ein Material, das seit langem bekannt war, aber in der frühen Phase der Batterieentwicklung weitgehend aufgegeben wurde“, erklärte Matthew McDowell, Associate Professor am Institut. „Aber mit neuen Erkenntnissen, kombiniert mit einer neuen Technologie – der Festkörperbatterie – haben wir herausgefunden, wie wir die Idee verjüngen und wirklich vielversprechende Leistungen erzielen können.“

Anstatt reines Aluminium für die Folien zu verwenden, das bei Batterietests schnell versagen würde, fügte das US-Forschungsteam dem Aluminium kleine Mengen anderer Materialien hinzu, um Folien mit bestimmten „Mikrostrukturen“ oder Anordnungen verschiedener Materialien zu schaffen. Sie testeten über 100 verschiedene Materialien, um zu verstehen, wie sie sich in Batterien verhalten würden.

Die neue Aluminiumfolien-Anode zeigte bei der Implementierung in Festkörperbatterien eine deutlich bessere Leistung und Stabilität als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Die Zellen im Labormaßstab liefern Hunderte von stabilen Zyklen mit praktisch relevanten Flächenkapazitäten bei hohen Stromdichten (6,5 mA cm-2).

„Einer der Vorteile unserer Aluminiumanode, der uns begeistert, ist, dass sie Leistungsverbesserungen ermöglicht, aber auch sehr kosteneffizient sein kann“, so McDowell. „Wenn wir eine Folie direkt als Batteriekomponente verwenden, entfallen zudem viele Herstellungsschritte, die normalerweise für die Produktion eines Batteriematerials erforderlich wären.“

Das Projekt begann als Zusammenarbeit zwischen dem Team der Georgia Tech und dem in Atlanta ansässigen Aluminiumhersteller und -recycler Novelis. Die Forscher arbeiten nun an größeren Batterien, um zu verstehen, wie die Größe das Verhalten von Aluminium beeinflusst.

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