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Lithium-Ionen Batterien – Charakterisierung und Design

 

Lithium-Ionen Batterien sind als Energiespeicher weit verbreitet. In diesem Projekt entwickelten Vanessa Wood und ihr Team eine Methode, um den Transport von Lithium-Ionen in Aktivmaterial zu untersuchen und prüften neue Möglichkeiten, Nanopartikel sicher und effizient in Lithium-Ionen Batterien zu nutzen.

Hintergrund (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Lithium-Ionen Batterien speichern auf engem Raum und mit kleinem Gewicht sehr viel Energie und sind deshalb weit verbreitet als Akkus in portablen Geräten wie Smartphones und Laptops. Dank der hohen Speicherkapazität werden sie auch häufig als Antrieb in Elektroautos genutzt und bieten Möglichkeiten, erneuerbare Energie in grossem Umfang zu speichern.

Wenn eine Lithium-Ionen Batterie Energie freisetzt und sich entlädt, wandern Lithium–Ionen durch das sogenannte Aktivmaterial der Batterie von der negativen Elektrode in die positive Elektrode. Wird die Batterie aufgeladen, ist der Vorgang umgekehrt. In herkömmlichen Aktivmaterialien ist die Bewegung der Lithium-Ionen vergleichswese langsam. Besteht dieses Material aber aus Nanopartikeln, ist die Strecke, welche die Lithium-Ionen zurücklegen müssen verkürzt und so kann die Lade– bzw. Entladezeit der Batterie erhöht werden. Die Batterien mit Nanomaterialien bringen aber auch Nachteile mit sich: Aktivmaterial mit Nanopartikeln braucht mehr Volumen und damit wird die Energiedichte der Batterien negativ beeinflusst. Die grössere Oberfläche der Nanopartikel kann dazu führen, dass die Batterie schneller altert. Vanessa Wood und ihr Team suchten nach Möglichkeiten, Nanomaterialien so einzusetzen, dass diese Einschränkungen möglichst umgangen werden.

Resultate

In diesem Projekt wurde eine Röntgenmethode etabliert (Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie, RAS) mit der die Bewegung der einzelnen Lithium-Ionen Nanopartikel mit hoher Auflösung optimal beobachtet werden konnte.

Weiter suchten die Forscher nach einer Lösung, Nanopartikel effizienter in Aktivmaterial zu nutzen, indem sie die Energiedichte der Batterien erhöhten. Dazu fügten sie die Nanopartikel des Aktivmaterials mit einem Sprüh- Trocknungsverfahren zu nanoporösen Mikropartikeln zusammen. Mit verschiedenen Techniken des Trocknungsverfahrens konnten die Forscher die Struktur und Porosität dieser Mikropartikel beeinflussen. Vanessa Wood und ihr Team konnten zeigen, dass Aktivmaterialien aus solchen nanoporösen Mikropartikeln eine erheblich höhere Leistung aufweisen als Aktivmaterialien mit einzelnen Nanopartikeln.

Bedeutung

Das Projekt zeigt neue Möglichkeiten auf, die Vorteile von Nanopartikeln im Aktivmaterial von Lithium-Ionen Batterien zu nutzen, diese leistungsfähiger zu machen und gleichzeitig die für diese Batterien typisch hohe Energiedichte zu erhalten. Weiter wurde eine Methode etabliert die es erlaubt, die Bewegung von Ionen in Aktivmaterialien optimal zu beobachten. Die hier gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag, das Potenzial der Nanotechnologie zur innovativen Energiespeicherung optimal auszuschöpfen.

Originaltitel

Development of "Lab-on-a-Chip" Tool for Rapid Assessment and Evaluation of Safety of Novel Nanoscale Active Materials for Next Generation Battery Systems

Projektleitung

  • Prof. Vanessa Wood

 

 

Weitere Informationen zu diesem Inhalt

 Kontakt

Prof. Vanessa Wood Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik ETH Zürich Gebäude ETZ
Gloriastr. 35
8092 Zürich +41 44 632 66 54 wood@iis.ee.ethz.ch