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Forscher vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums DOE und der University of Tennessee haben einen leistungsfähigen Ersatz für das in Lithium-Ionen-Batterien üblicherweise verwendete Kathodenmaterial Graphit gefunden.
Die Molybdän-Wolfram-Niobat-Legierung verkürzt die Schnellladezeit drastisch. Das DOE hat sie auf 15 Minuten oder weniger festgelegt, um mit den Tankzeiten von gasbetriebenen Fahrzeugen zu konkurrieren, ein Meilenstein, der mit Graphit nicht erreichbar zu sein scheint.
Hinderliche Ablagerungen
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) spielen eine wesentliche Rolle im Portfolio der sauberen Energietechnologien der USA. Die meisten hybriden und vollelektrischen Fahrzeuge verwenden LIBs. Diese wiederaufladbaren Batterien bieten Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Effizienz, da sie mehr Energie speichern, sich schneller aufladen lassen und eine höhere Lebensdauer haben als die heute überwiegend eingesetzten Blei-Säure-Batterien für den Start von Verbrennungsmotoren. „Um die Ladezeit drastisch zu verkürzen, sind neue Werkstoffe und Synthesemethoden nötig, die die Industrie in der Massenproduktion einsetzen kann“, so ORNL-Chemiker Sheng Dai. Die neue Legierung sei die bisher beste Lösung.
Beim grundlegenden Batterie-Design sind zwei feste Elektroden – eine positive Kathode und eine negative Anode – durch eine Elektrolytlösung und einen Separator voneinander getrennt. In LIBs bewegen sich Lithiumionen zwischen Kathode und Anode hin und her, um Strom zu speichern und freizusetzen. Graphitanoden lassen während des Ladevorgangs auf der Anodenoberfläche eine Ablagerung entstehen, die die Bewegung von Lithium-Ionen hemmt und damit die Ladezeit verlängert.
Durchbruch mit Sol-Gel-Technik
Das Team hat die neue Legierung mithilfe der Sol-Gel-Technik hergestellt, die sich leicht skalieren lässt, also für eine industrielle Produktion geeignet ist, und wenig Energie verbraucht. Das hergestellte Gel entstammt einer Mischung aus ionischer Flüssigkeit und Metallsalzen und wurde anschließend mit Wärme behandelt, um die endgültigen Eigenschaften des Materials zu verbessern. Die ionische Flüssigkeit lässt sich recyceln und immer wieder verwenden. Der Schlüssel zum Erfolg des Materials ist seine nanoporöse Struktur, die die elektrische Leitfähigkeit verbessert, also der Beweglichkeit von Lithiumionen und Elektronen nicht im Wege steht, was ein schnelles Aufladen ermöglicht.
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