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Mangan-Verjüngungskur für Lithium-Ionen-Batterien

2021-03-26
Mangan-Verjüngungskur für Lithium-Ionen-Batterien

22. März 2021 - Lithium-Ionen-Batteriespeicher Lithium-Ionen-Energiespeicher
Kobaltfreie Kathoden könnten Versorgungsprobleme bekämpfen, indem sie eines der billigsten verfügbaren Metalle verwenden.
US-Forscher haben eine Lithium-Ionen-Batterie hergestellt, die Mangan als Kathodenmaterial anstelle von herkömmlichem Kobalt oder Nickel verwendet. Die Arbeit könnte eine billige und reichlich vorhandene Alternative zu diesen zunehmend teuren und begrenzten Ressourcen darstellen und eine Möglichkeit bieten, die schnell wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Energiespeichern zu befriedigen.

Die meisten Lithium-Ionen-Batteriekathoden waren von Kobalt oder Nickel abhängig, da sie Strukturen leicht geschichtet und geordnet halten. Im Jahr 2014 zeigte eine Gruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) unter der Leitung von Gerbrand Ceder, dass Lithium-Ionen-Batterien mit einer ungeordneten Struktur funktionieren können, solange sie reich an Lithium sind, was die Möglichkeit eröffnet, neue und möglicherweise neue auszuprobieren besser Materialien.

Ceder und Kollegen von der University of California und dem Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA haben jetzt eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer ungeordneten Kathode auf Manganbasis entwickelt und gezeigt, dass sie möglicherweise mehr Energie als Kobalt oder Nickel speichern kann. â € žUnsere Idee war, dass wir ein viel breiteres Spektrum von Metallen verwenden können, wenn wir Kathoden herstellen können, bei denen es uns nicht um die Schichtung gehtâ € œ, sagt der Hauptautor Jinhyuk Lee vom MIT.  »Wir haben uns für Mangan entschieden, da es eines der billigsten verfügbaren Metalle ist.«

Mangan wird bereits in herkömmlichen geschichteten Lithium-Ionen-Batteriekathoden verwendet, jedoch als stabilisierendes Metall mit geringer Beteiligung an der Elektronenspeicherung. Jüngste Versuche, Kathoden ausschließlich aus ungeordnetem Mangan und anderen Metalloxiden herzustellen, waren begrenzt, da sie instabil werden und aufgrund zu hoher Sauerstoff-Redox-Aktivität an Kapazität verlieren, wenn sich Lithiumionen während des Ladens von der Kathode zur Anode auf Lithiumbasis bewegen.

Um diese Aktivität zu reduzieren und eine Manganoxidkathode mit hoher Kapazität zu erhalten, hat Ceders Team einen Weg gefunden, Mangan dazu zu bringen, zwei Elektronen auszutauschen, was bei Kathoden auf Nickelbasis mit hoher Kapazität anstelle von einer der Fall ist. Dies beinhaltete die Verringerung der Manganvalenz auf Mn2 + durch Ersetzen einiger Sauerstoffanionen durch niedrigwertige Fluoranionen, während einige Mangankationen gegen höherwertige Niob- und Titanionen ausgetauscht wurden. Dies bedeutete, dass ein doppeltes Redox von Mangankationen von Mn2 + zu Mn4 + auftreten konnte, wodurch sich ein hoher Anteil von Lithiumionen von der Kathode zur Lithiumanode bewegen konnte, ohne instabil zu werden.

"Unsere Ergebnisse im Labormaßstab [Batteriezyklustest] zeigen eine deutlich höhere Energiedichte unserer Kathoden (~ 1000 Wh / kg) als die der vorhandenen Kathoden (600 - 700 Wh / kg)", sagt Ceder. â € žAber unsere Daten sind nicht im kommerziellen Maßstab, daher sollten weitere Tests und Optimierungen unserer Materialien folgen.â € œ

"Während für praktische Anwendungen weitere Verbesserungen der Zyklusstabilität erforderlich sind, ist die berichtete Strategie vielversprechend und ermöglicht eine umfassende Untersuchung verschiedener hochvalenter Kationen", kommentiert Gleb Yushin, der die Energiespeicherung am Georgia Institute of Technology untersucht , USA. "Die Notwendigkeit, die Zellenspannung auf sehr niedrige Werte zu reduzieren, kann eine Barriere für Anwendungen der gemeldeten Technologie auf elektronische Geräte bilden, sollte jedoch für Automobilanwendungen keine große Sache sein."


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