Das Hinzufügen einer unebenen Anode zu Lithium-Ionen-Batterien steigert die Leistung bei Kälte

Ein chinesisches Forschungsteam hat herausgefunden, dass das Hinzufügen einer holprigen Elektrode auf Kohlenstoffbasis als Anode in Lithium-Ionen-Zellen die Batterien halten länger bei kalten Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser.

Dank ihrer hohen Energiespeicherkapazitäten sind Lithium-Ionen-Batterien heute weit verbreitet, von der Unterhaltungselektronik bis hin zur Automobilindustrie. Obwohl diese Batterien unter den meisten Bedingungen gut funktionieren, lässt ihre Leistung stark nach, wenn die Temperaturen unter 32 Grad Fahrenheit fallen 0 Grad Celsius.

Wenn die Temperaturen sinken, müssen Smartphones häufiger aufgeladen werden, während Elektroautos deutliche Einbußen in ihrer Reichweite verzeichnen, da die Anode oder der positiv geladene Anschluss der Batterie Probleme hat, die Ladung zu halten. Aus diesem Grund werden elektrische Batterien für die Weltraumforschung nicht bevorzugt und werden es auchgefürchtet von denen, die in extrem kalten Regionen leben und nach Elektrofahrzeuge.

Warum funktionieren Lithium-Ionen-Batterien bei extremer Kälte schlecht?

Einige Arten von Lithium-Ionen-Batterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten, der bei extrem niedrigen Temperaturen viskos werden oder gefrieren kann, was die Batterieleistung beeinträchtigt. Es wurde jedoch festgestellt, dass auch Batterien, die keinen flüssigen Elektrolyten verwenden, unter niedrigen Temperaturen leiden.

Frühere Untersuchungen haben auch gezeigt, dass Ionen, die normalerweise in die Anode der Batterien gelangen, leicht wärmere Temperaturen haben und es bei Gefriertemperaturen schwieriger haben. Forscher Xi Wang und sein Team wollten herausfinden, ob eine Änderung des Materials und der Struktur der Anodenoberfläche einen Unterschied machen würde.

Um ein neues Material herzustellen, erhitzten die Forscher zunächst ein kobalthaltiges Zeolith-Imidazolat-Gerüst ZIF-67 bei sehr hohen Temperaturen, um 12-seitige Kohlenstoff-Nanokugeln mit unebenen Oberflächen zu erhalten, die eine gute Fähigkeit zur Übertragung elektrischer Ladung aufwiesen.

Verwendung als neue Anode

Dann testeten die Forscher das Material als Anode in einer münzförmigen Batterie mit Lithiummetall als Kathode. Beim Test auf Lade- und Entladefähigkeiten zwischen Temperaturen von 77 F bis -4 F 25^oC bis -20^oC zeigte die Anode Stabilität und hielt selbst bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt 85,9 Prozent der Ladung, die sie bei normaler Temperatur halten konnte.Dies ist eine große Leistung, da herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien bei diesen Temperaturen fast keine Ladung halten können.

Während eines ihrer Experimente senkte der Forscher die Lufttemperatur auf -31 F -35^oC und fanden heraus, dass die aus diesem neuen Material hergestellte Anode immer noch die Kapazität hatte, die Batterie wieder aufzuladen.Anschließend entluden die Forscher die Batterie und stellten fest, dass fast 100 Prozent der eingebrachten Ladung bei diesen Temperaturen freigesetzt wurden.

Durch Verwendung eines etwas anderen Kohlenstoffmaterials für die Anode in a Lithium-Ionen-Akku, die Forscher konnten die größte Einschränkung dieser weltweit weit verbreiteten Batterie beheben.

Die Forschungsergebnisse und ihre Anwendung in der Zukunft könnten tiefgreifende Auswirkungen darauf haben, wie Batterien in den kältesten Regionen der Erde und vielleicht sogar darüber hinaus eingesetzt werden.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Zentralwissenschaft.

Zusammenfassung

Da träge Li⁺ Desolvatation führt zu starkem Kapazitätsabbau von Kohlenstoffanoden bei Minustemperaturen, es ist dringend erwünscht, die Elektronenkonfigurationen von Oberflächenkohlenstoffatomen in Richtung hoher Kapazität für Li-Ionen-Batterien zu modulieren. Hier wurde ein kohlenstoffbasiertes Anodenmaterial O-DF entwickeltstrategisch synthetisiert, um die Riemannsche Oberfläche mit positiver Krümmung aufzubauen, die eine hohe reversible Kapazität von 624 mAh aufweist g^–1mit einer Kapazitätserhaltung von 85,9 % bei 0,1 A g^–1 wenn die Temperatur auf –20 °C fällt. Selbst wenn die Temperatur auf –35 °C fällt, bleibt die reversible Kapazität effektiv bei 160 mAh g erhalten^–1 nach 200 Zyklen. Verschiedene Charakterisierungen und theoretische Berechnungen zeigen, dass die Riemannsche Oberfläche das bei niedrigen Temperaturen träge Li effektiv abstimmt⁺ Desolvatisierung der Grenzflächenchemie durch lokal akkumulierte Ladungen nicht-koplanarer sp^x 2 < x < 3 hybridisierte Orbitale, um den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Energiebarriere für den Ladungstransferprozess zu verringern.Ex-situ-Messungen bestätigen weiter, dass die sp^x-hybridisierte Orbitale der fünfeckigen Defektstellen sollten negativere Ladungen zu solvatisiertem Li bedeuten⁺ adsorbiert auf der Riemannschen Oberfläche, um stärkere koordinative Li-C-Bindungen für Li zu bilden⁺ Desolvatation, die nicht nur die Li-Adsorption auf der gekrümmten Oberfläche verbessert, sondern auch zu mehr Li führt⁺ Einsetzen in extrem kalter Umgebung.