Glas für Batterieelektrode

Chemiker und Materialforscher der ETH Zürich haben ein Material entwickelt, das als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien die Kapazität und Energiedichte heutiger Batterien massiv erhöhen dürfte.

In mehrjähriger Forschungsarbeit sind sie auf ein Material gestoßen, das die Batterieleistung verdoppeln könnte. Dabei handelt es sich um ein Vanadat-Borat-Glas, das die Forscher als Kathodenmaterial verwenden. Das Material besteht aus Vorläufersubstanzen von Vanadiumpentoxid (V2O5) und Lithium-Borat (LiBO2), das überdies mit reduziertem Graphitoxid (RGO) beschichtet wurde, das die Leistung des Materials als Elektrode verbessert.Kristallines Vanadiumpentoxid als Elektrodenmaterial hat den Nachteil, dass  nicht alle eingelagerten Lithium-Ionen freigeben werden, und es lässt nur wenige stabile Lade-Entlade- Zyklen zu.  Die ETH Forscher verwendeten deshalb statt einer kristallinen Form ein Vanadium-«Glas». Glas hat eine sogenannt amorphe Struktur, in der sich die Atome nicht wie in einem Kristall in einem regelmäßigen Gitter anordnen, sondern in einem wilden Durcheinander.Um das Material für die Batteriekathode herzustellen, vermengten die Wissenschaftler pulverförmiges Vanadiumpentoxid mit glasbildenden Boraten, schmolzen das Pulver bei 900°C und kühlten die Schmelze so rasch als möglich ab. Dabei entstanden hauchdünne Glasplättchen, welche vor ihrer Verwendung wieder zu Pulver zerstoßen wurden. Um eine leistungsfähige Elektrode zu erzeugen, beschichtete der Forscher das Vanadat-Borat-Pulver zudem mit reduziertem Graphitoxid (RGO).  Bei mit RGO-beschichteten Vanadat-Borat-Elektroden blieb die Kapazität auch bei ziemlich hohen Stromraten über 100 Lade-Entlade-Zyklen stabil. Eine Batterie mit einer RGO-beschichteten Vanadat-Borat-Elektrode verfügte über eine Energiedichte von rund 1000 Wattstunden pro Kilogramm. Sie erreichte eine Entladekapazität, die deutlich über 300 mAh/g (Milliamperestunden pro Gramm) lag. Anfänglich lag diese sogar bei 400 mAh/g, verringerte sich allerdings im Lauf der Lade-Entlade-Zyklen. Bild: ETH Zürich/Peter Rüegg – Dieses Material könnte die Batterieleistung verdoppeln: Vanadat-Borat-Glas.

Erstellt am 21.1.2015

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