Ultra-dicke Carbonfaser-verstärkte Batterieelektroden versprechen höhere Energiedichte

FAT-Elektrode: Vertikal ausgerichtete Carbonfasern für Dickschicht-Elektroden

In einer im Juni 2020 im Nano Letters der American Chemical Society veröffentlichten Studie entwickelten Forscher des Center for Composite Materials (CCM) der University of Delaware (Newark, Delaware, USA) eine ultra-dicke Batterieelektrode, verstärkt mit vertikal ausgerichteten Carbonfasern. Das Design namens „Fiber-Aligned Thick“ (FAT) zeigt verbesserte Eigenschaften und ist leicht skalierbar für die Fertigung.

„In einer Batterie besteht die Elektrode aus Aktivmaterial (Elektrodenmaterial) und inaktiven Komponenten (z. B. metallische Stromsammler, Polymerbinder, Leitmatrix)“, erklärt Dr. Kun Fu, Assistant Professor an der University of Delaware und Studienautor. „Um die spezifische Kapazität zu verbessern, muss der Aktivmaterialanteil erhöht und der inaktive Anteil verringert werden.“

Aufbau der FAT-Elektrode

Die FAT-Elektrode integriert unidirektionale (UD) kurze Carbonfasern, ausgerichtet in Elektrodenrichtung, mit dem aktiven Elektrodenmaterial (LiFePO₄, Lithium-Eisenphosphat) eingebettet zwischen den Fasern. Die Poren zwischen den Carbonfasern bilden Kanäle mit niedriger Tortuosität durch die Elektrode, ermöglichen schnellen Ionenfluss im Flüssigelektrolyten.

„Die FAT-Elektrode nutzt ausgerichtete Carbonfasern, um eine durchgehende, faserausgerichtete Elektrodenstruktur mit hohem Aktivmaterialbelad, niedriger Tortuosität, hoher elektrischer/thermischer Leitfähigkeit und guter Kompressionseigenschaft zu konstruieren“, so Fu.

„Eine dickere Elektrode könnte das Verhältnis Aktivmaterial/Inaktivmaterial signifikant erhöhen, für höhere spezifische Kapazität“, fügt er hinzu. Die niedrige Tortuosität ermöglicht schnelle Elektrolytinfiltration und raschen Elektronen/Ionentransport, zeigt höhere Kapazitätsretention und geringeren Ladungswiderstand als konventionelle dicke Schlammguss-Elektroden.

Skalierbare, kostengünstige Fertigung

Das Herstellungsverfahren ist leicht skalierbar und kostengünstig: wässrige Elektrodentinte und geschnittene/gerollte Carbonfaser-Membranverstärkung. Die vorgeladene Carbonfasermembran wird zylindrisch aufgerollt und senkrecht zur Faserachse geschnitten. Damit fertigten die Forscher eine Elektrode von 18 mm Durchmesser und 55 mm Höhe für potenzielle 18650-Zylinderzellen.

Ausblick

Nächste Schritte: Anwendung des ausgerichteten Carbonfaser-Gerüsts auf Anodendesign, Feststoffbatterien, Li-S und Li-O₂ Batterien. Potenzielle Nutzung: Batterien für E-Fahrzeuge, Elektronik, Netzspeicher. Studie abrufbar über Nano Letters Digitalpublikation.