Reversibel Laden, Speichern und Entladen

05.11.2018

Reversibel Laden, Speichern und Entladen

gelingt mit hohen Zyklenzahlen und Ladekapazitäten durch Verwendung dreidimensional angeordneter Wolframoxid- oder auch Molybdänoxid-Stäbe als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Sie stellen derzeit die leistungsfähigsten Akkumulatoren dar. LIB ermöglichen geringes Gewicht und hohe Stromdichten im Vergleich zu anderen mobilen elektrochemischen Speicherelementen.

Aktueller Forschungsbedarf ist insbesondere im Bereich extrem miniaturisierter Energiespeicher gegeben. Diese sind z.B. für die on board Stromversorgung kleinster Geräte wichtig, wie sie z.B. in der Medizintechnik notwendig sind. Hierfür lassen sich nanoskalige anorganische eindimensionale Speichermaterialien nutzen. Werden diese in Form von nanokristallinen Stäben in dreidimensionaler Struktur angeordnet, entsteht eine höhere Speicherkapazität als sie mit 2D Schichtstrukturen oder ungeordneten 1D Nanostrukturen gleicher Materialien erreicht werden kann. Dies beruht auf dem drastisch vergrößerten Verhältnis von aktiver Elektrodenoberfläche zu der auf dem Stromsammler durch das Speichermaterial belegten Elektrodenfläche (Prinzip des minimal footprint). Dass derlei Oxide typischerweise aber schlechte elektrische Leitfähigkeiten aufweisen, und damit der Ladungstransfer prinzipiell gehindert ist, konnte durch die Ummantelung der einzelnen Drähte mit einer dünnen Kohlenstoffhülle nun ebenfalls gelöst werden. Erzeugt werden diese Umhüllungen aus Sucrose, dessen thermische Umwandlung in Kohlenstoff eine dünne, nur wenige Nanometer dicke elektrisch leitfähige Schicht auf den Drähten des Speichermaterials erzeugt. Dadurch können Elektronen ungehindert abfliessen und die Einlagerung der Lithium-Ionen als auch die Konversion des Speichermaterials ist trotzdem gewährleistet. Darüberhinaus sorgt der Kohlenstoffmantel aber auch für eine elektrisch gut leitende und mechanisch stabile Anbindung der oxidischen Aktivmaterialien auf dem metallischen Stromsammler der Halbzelle bzw. Batterie. Dies macht die Zugabe von Bindern und Additiven wie sie typischerweise für die Anbindung der elektrochemischen Aktivmaterialien an die Elektroden von LIB verwendet werden, überflüssig.

Über die Herstellung, Charakterisierung und die elektrische Funktionscharakteristik von LIB Halb- und Vollzellen auf Wolframtrioxid- sowie Molybdänoxid-Basis berichtet die Arbeitsgruppe von J.J. Schneider jetzt in zwei aktuellen Arbeiten: T. Herdt, M. Bruns, J.J. Schneider, Dalton Transactions 2018, 47, 14897-14907 und T. Herdt, M. Bruns, J.J. Schneider, Nanoscale 2018, im Druck.

Weitere Informationen

Arbeitsgruppe Prof. J.J. Schneider

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