Dicke, kohlefaserverstärkte Batterieelektroden können Batterien mit hoher Dichte ermöglichen

In einem Projekt, das in der Juni-Ausgabe 2020 der Nano Letters der American Chemical Society veröffentlicht wurde Journal haben Forscher des Center for Composite Materials (CCM) der University of Delaware (Newark, Delaware, USA) eine ultradicke Batterieelektrode entwickelt, die mit vertikal ausgerichteten Kohlefasern verstärkt ist. Das neue Elektrodendesign mit der Bezeichnung „fiber-aligned Thick“ oder „FAT“ soll verbesserte Eigenschaften aufweisen und leicht in der Herstellung skalierbar sein.

„In einer Batterie besteht die Elektrode aus einem aktiven Material (dem Elektrodenmaterial) und inaktiven Komponenten (zB metallische Stromkollektoren, Polymerbinder und leitende Matrix)“, erklärt Dr. Kun Fu, Assistant Professor an der University of Delaware und ein Autor der Studie. Um die spezifische Kapazität einer Batterie zu verbessern, muss die Menge an aktivem Material erhöht und die inaktive Materialien verringert werden.

Die vom University of Delaware Center for Composite Materials entwickelte FAT-Elektrode enthält unidirektionale (UD) kurze Kohlefasern, die in Richtung der Elektrode ausgerichtet sind, mit dem aktiven Elektrodenmaterial (LiFePO₄ , oder Lithiumeisenphosphat) zwischen den Fasern eingebettet. Die Poren zwischen den Kohlefasern bilden Kanäle mit geringer Tortuosität durch die Elektrode, die einen schnellen Ionentransport innerhalb des flüssigen Elektrolyten ermöglichen. „Die FAT-Elektrode verwendet ausgerichtete Kohlefasern, um eine durch die Dicke faserausgerichtete Elektrodenstruktur mit den Merkmalen hoher Elektrodenmaterialbeladung, geringer Tortuosität, hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und guter Kompressionseigenschaft zu konstruieren“, sagt Fu.

„In diesem Fall könnte eine dickere Elektrode das Verhältnis Aktivmaterial/Inaktives Material deutlich erhöhen, um eine höhere spezifische Kapazität zu erreichen“, fügt er hinzu. Die geringe Tortuosität der FAT-Elektrode ermöglicht eine schnelle Elektrolytinfusion und einen schnellen Elektronen-/Ionentransport, wobei sie eine höhere Kapazitätserhaltung und einen geringeren Ladungsübertragungswiderstand als herkömmliche dicke Elektrodenkonstruktionen mit Aufschlämmung aufweist.

Neben verbesserten Eigenschaften und höherer Kapazität ist das Herstellungsverfahren nach Ansicht der Forscher leicht skalierbar und kostengünstig herzustellen, da eine wässrige Elektrodentinte und eine geschnittene und gerollte Kohlefasermembranverstärkung verwendet werden. Zur Herstellung der Elektrode wird die zuvor mit dem Elektrodenaktivmaterial beladene Kohlefasermembran zylindrisch aufgerollt und anschließend senkrecht zur Faserachse geschnitten. Mit dieser Methode stellten die Forscher eine Elektrode mit einem Durchmesser von 18 Millimetern und einer Höhe von 55 Millimetern für den möglichen Einsatz in 18650 zylindrischen Batteriezellen her.

Als nächstes planen die Forscher, das ausgerichtete Kohlefasergerüst auf Anodendesign, Festkörperbatterien und Li-S und Li-O₂ . anzuwenden Batterien, sagt Fu, und potenzielle Anwendungen umfassen Batterien für Elektrofahrzeuge, Elektronik oder Netzenergiespeicher.

Um auf die Studie zuzugreifen, gehen Sie zu den Nano Letters digitale Veröffentlichung.