Nanodraht-Batterie - Nanowire battery

Eine Nanodrahtbatterie verwendet Nanodrähte , um die Oberfläche einer oder beider Elektroden zu vergrößern . Einige Bauformen (Silizium, Germanium und Übergangsmetalloxide ), Variationen der Lithium-Ionen-Batterie wurden angekündigt, obwohl keine im Handel erhältlich sind. Alle Konzepte ersetzen die herkömmliche Graphitanode und könnten die Batterieleistung verbessern.

Silizium

Silizium ist ein attraktives Material für Anwendungen als Anoden für Lithiumbatterien, da es vorteilhafte Materialeigenschaften bietet. Insbesondere hat Silizium ein niedriges Entladungspotential und eine hohe theoretische Ladungskapazität, die zehnmal höher ist als die von typischen Graphitanoden, die derzeit in der Industrie verwendet werden. Nanodrähte könnten diese Eigenschaften verbessern, indem sie die verfügbare Oberfläche in Kontakt mit dem Elektrolyten erhöhen, wodurch die Leistungsdichte der Anode erhöht und ein schnelleres Laden und eine höhere Stromabgabe ermöglicht wird. Die Verwendung von Siliziumanoden in Batterien wurde jedoch durch die Volumenausdehnung während der Lithiierung eingeschränkt . Silicon quillt um 400% , wie es interkaliert Lithium während des Ladens, was zu einer Verschlechterung des Materials. Diese Volumenausdehnung erfolgt anisotrop, verursacht durch Rissausbreitung unmittelbar nach einer sich bewegenden Lithiierungsfront. Diese Risse führen zu Pulverisierung und erheblichem Kapazitätsverlust, der innerhalb der ersten paar Zyklen spürbar ist.

Der umfangreiche Übersichtsartikel aus dem Jahr 2007 von Kasavajjula et al. fasst frühe Forschungen zu siliziumbasierten Anoden für Lithium-Ionen-Sekundärzellen zusammen. Insbesondere Hong Li et al. zeigten im Jahr 2000, dass die elektrochemische Insertion von Lithiumionen in Silizium-Nanopartikel und Silizium-Nanodrähte zur Bildung einer amorphen Li-Si-Legierung führt. Im selben Jahr beschrieben Bo Gao und sein Doktorvater Professor Otto Zhou das Zyklieren elektrochemischer Zellen mit Anoden aus Silizium-Nanodrähten mit einer reversiblen Kapazität von mindestens etwa 900 bis 1500 mAh/g.

Untersuchungen an der Stanford University zeigen, dass direkt auf dem Stromkollektor (über VLS- Wachstumsmethoden ) aufgewachsene Silizium-Nanodrähte (SiNWs) in der Lage sind, die mit der Volumenausdehnung verbundenen negativen Auswirkungen zu umgehen. Diese Geometrie bietet mehrere Vorteile. Erstens ermöglicht der Nanodrahtdurchmesser eine verbesserte Anpassung an Volumenänderungen während der Lithiierung ohne Bruch. Zweitens ist jeder Nanodraht so am Stromkollektor befestigt, dass jeder zur Gesamtkapazität beitragen kann. Drittens sind die Nanodrähte direkte Wege für den Ladungstransport; in partikelbasierten Elektroden werden Ladungen gezwungen, zwischen den Kontaktflächen zwischen den Partikeln zu navigieren (ein weniger effizienter Prozess). Silizium-Nanodrähte haben eine theoretische Kapazität von ungefähr 4.200 mAh g^-1, was größer ist als die Kapazität anderer Siliziumformen. Dieser Wert weist auf eine signifikante Verbesserung gegenüber Graphit hin, das im vollständig lithiierten Zustand von LiC 6 eine theoretische Kapazität von 372 mAh g^-1 hat .

Weitere Forschungsarbeiten umfassten die Abscheidung von Kohlenstoffbeschichtungen auf Silizium-Nanodrähten, die dazu beitragen, das Material so zu stabilisieren, dass sich eine stabile Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) bildet. Ein SEI ist ein unvermeidliches Nebenprodukt der Elektrochemie, die in der Batterie auftritt; seine Bildung trägt zu einer verringerten Kapazität in der Batterie bei, da es sich um eine elektrisch isolierende Phase handelt (obwohl sie ionenleitfähig ist). Es kann sich auch über mehrere Batteriezyklen auflösen und neu bilden. Daher ist ein stabiler SEI vorzuziehen, um einen fortgesetzten Kapazitätsverlust bei der Verwendung der Batterie zu verhindern. Wenn Kohlenstoff auf Silizium-Nanodrähte aufgetragen wird, wurde nach 200 Zyklen eine Kapazitätserhaltung von 89 % der anfänglichen Kapazität beobachtet. Diese Kapazitätserhaltung ist heute vergleichbar mit der von Graphitanoden.

Ein Design verwendet eine Edelstahlanode, die mit Silizium-Nanodrähten bedeckt ist. Silizium speichert zehnmal mehr Lithium als Graphit und bietet eine höhere Energiedichte . Die große Oberfläche erhöht die Leistungsdichte der Anode und ermöglicht dadurch ein schnelles Laden und eine hohe Stromabgabe. Die Anode wurde 2007 an der Stanford University erfunden .

Im September 2010 demonstrierten Forscher 250 Ladezyklen, die über 80 Prozent der anfänglichen Speicherkapazität aufrechterhalten. Einige Studien wiesen jedoch darauf hin, dass Si-Nanodraht-Anoden bei mehr Ladezyklen einen signifikanten Abfall der Energiekapazität aufweisen; Dies wird durch die volumetrische Ausdehnung von Silizium-Nanodrähten während des Lithiierungsprozesses verursacht . Veröffentlichte Ergebnisse im Jahr 2012 zeigt , dass Dotierungsverunreinigungen in dem Nanodraht - Anode verbessern die Batterieleistung, und es wurde festgestellt , daß Phosphor-dotierte: Forscher hat viele Lösungen zur Behebung dieses Problems vorgeschlagen , Si - Nanodrähte eines bessere Leistung erzielt , wenn im Vergleich mit Bor und undotierten Nanodrahtelektroden ; Forscher gezeigt , auch die Möglichkeit , ein 85% der Anfangskapazität von Halt nach einem nominell undotierten Siliciumanode in einen doppelwandigen , indem mehr als 6000 - mal cycling Silizium - Nanoröhrchen mit Siliziumoxid ionendurchlässige Schicht als Beschichtungs.

Die auf Silizium-Nanodrähten basierende Batteriezelle bietet auch die Möglichkeit einer dimensionalen flexiblen Energiequelle, die auch zur Entwicklung von tragbaren technologischen Geräten führen würde. Wissenschaftler der Rice University zeigten diese Möglichkeit, indem sie poröse Kupfer-Nanoschalen um den Silizium-Nanodraht innerhalb einer Polymermatrix abschieden. Diese Lithium-Polymer-Silizium-Nanodraht-Batterie (LIOPSIL) verfügt über eine ausreichende Betriebsvollzellenspannung von 3,4 V und ist mechanisch flexibel und skalierbar.

Die Kommerzialisierung sollte ursprünglich im Jahr 2012 erfolgen, wurde jedoch später auf 2014 verschoben. Ein verwandtes Unternehmen, Amprius, lieferte 2013 ein verwandtes Gerät mit Silizium und anderen Materialien aus. Canonical gab am 22. Juli 2013 bekannt, dass sein Ubuntu Edge- Smartphone ein Lithium-Ionen-Akku mit Siliziumanode.

Germanium

Eine Anode mit Germanium- Nanodraht soll die Energiedichte und Zyklenfestigkeit von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen können. Germanium hat wie Silizium eine hohe theoretische Kapazität (1600 mAh g-1), dehnt sich beim Laden aus und zerfällt nach wenigen Zyklen. Germanium ist jedoch 400-mal effektiver bei der Einlagerung von Lithium als Silizium, was es zu einem attraktiven Anodenmaterial macht. Die Anoden behaupteten, nach 1100 Zyklen Kapazitäten von 900 mAh/g zu behalten, selbst bei Entladeraten von 20–100 °C. Diese Leistung wurde einer Umstrukturierung der Nanodrähte zugeschrieben, die innerhalb der ersten 100 Zyklen stattfindet, um ein mechanisch robustes, kontinuierlich poröses Netzwerk zu bilden. Einmal gebildet, verliert die umstrukturierte Anode danach nur 0,01% ihrer Kapazität pro Zyklus. Das Material bildet nach diesen ersten Zyklen eine stabile Struktur, die einer Pulverisierung standhalten kann. Im Jahr 2014 entwickelten Forscher einen einfachen Weg, um Nanodrähte aus Germanium aus einer wässrigen Lösung herzustellen .

Übergangsmetalloxide

Übergangsmetalloxide (TMO), wie Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , Co 3 O 4 und PbO 2 , haben viele Vorteile als Anodenmaterialien gegenüber herkömmlichen Zellmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und andere Batteriesysteme. Einige von ihnen besitzen eine hohe theoretische Energiekapazität und sind von Natur aus reichlich vorhanden, ungiftig und auch umweltfreundlich. Mit der Einführung des Konzepts der nanostrukturierten Batterieelektrode beginnen Experimentatoren, die Möglichkeit von TMO-basierten Nanodrähten als Elektrodenmaterialien zu untersuchen. Einige neuere Untersuchungen zu diesem Konzept werden im folgenden Unterabschnitt diskutiert.

Bleioxidanode

Blei-Säure-Batterien sind die ältesten wiederaufladbaren Batteriezellen. Obwohl der Rohstoff (PbO 2 ) für die Zellherstellung relativ leicht zugänglich und günstig ist, haben Bleibatteriezellen eine relativ geringe spezifische Energie. Der Pastenverdickungseffekt (Volumenexpansionseffekt) während des Betriebszyklus blockiert auch den effektiven Fluss des Elektrolyten. Diese Probleme schränkten das Potenzial der Zelle ein, einige energieintensive Aufgaben zu erfüllen.

Im Jahr 2014 erhielt ein Experimentator erfolgreich PbO 2 -Nanodrähte durch einfache Templat- Elektroabscheidung . Die Leistung dieses Nanodrahts als Anode für Blei-Säure-Batterien wurde ebenfalls bewertet. Aufgrund der stark vergrößerten Oberfläche konnte diese Zelle auch nach 1.000 Zyklen eine nahezu konstante Kapazität von ca. 190 mAh g –1 liefern . Dieses Ergebnis zeigte, dass dieses nanostrukturierte PbO 2 ein ziemlich vielversprechender Ersatz für die normale Blei-Säure-Anode ist.

Manganoxid

MnO 2 war aufgrund seiner hohen Energiekapazität, Ungiftigkeit und Kosteneffizienz schon immer ein guter Kandidat für Elektrodenmaterialien . Die Einfügung von Lithiumionen in die Kristallmatrix während des Lade-/Entladezyklus würde jedoch eine signifikante Volumenausdehnung verursachen. Um diesem Effekt während des Betriebszyklus entgegenzuwirken, schlugen Wissenschaftler kürzlich die Idee vor, einen Li-angereicherten MnO 2 -Nanodraht mit einer nominellen Stöchiometrie von Li 2 MnO 3 als Anodenmaterialien für LIB herzustellen . Diese neu vorgeschlagenen Anodenmaterialien ermöglichen es der Batteriezelle, selbst nach 500 Zyklen eine Energiekapazität von 1279 mAh g –1 bei einer Stromdichte von 500 mA zu erreichen . Diese Leistung ist viel höher als die von reinen MnO 2 -Anoden- oder MnO 2 -Nanodraht-Anodenzellen.

Heterostruktur-TMOs

Heteroübergang verschiedener Übergangsmetalloxide würde manchmal das Potenzial für eine abgerundetere Leistung von LIBs bieten.

Im Jahr 2013 synthetisierten die Forscher erfolgreich eine verzweigte Co 3 O 4 /Fe 2 O 3 -Nanodraht- Heterostruktur mit hydrothermalen Verfahren. Dieser Heteroübergang kann als alternative Anode für die LIB-Zelle verwendet werden. Im Betrieb fördert Co 3 O 4 einen effizienteren Ionentransport, während Fe 2 O 3 die theoretische Kapazität der Zelle durch Vergrößerung der Oberfläche erhöht. Es wurde eine hohe reversible Kapazität von 980 mAh g −1 berichtet.

In einigen Studien wurde auch die Möglichkeit der Herstellung heterogener ZnCo 2 O 4 /NiO-Nanodraht-Arrays untersucht. Die Effizienz dieses Materials als Anode muss jedoch noch bewertet werden.

Gold

Im Jahr 2016 gaben Forscher der University of California in Irvine die Erfindung eines Nanodrahtmaterials bekannt, das über 200.000 Ladezyklen ohne Bruch der Nanodrähte ermöglicht. Die Technologie könnte zu Batterien führen, die in den meisten Anwendungen nie ausgetauscht werden müssen. Die Gold- Nanodrähte werden durch eine Mangandioxid- Hülle verstärkt, die von einem Plexiglas-ähnlichen Gelelektrolyten umhüllt ist . Die Kombination ist zuverlässig und ausfallsicher. Nach etwa 200.000 Zyklen einer Testelektrode trat weder ein Kapazitäts- oder Leistungsverlust noch ein Bruch von Nanodrähten auf.

Siehe auch

Verweise

Externe Links