Li-Ionen-Batterien sind für unser tägliches Leben unverzichtbar geworden
Jul 06, 2021
Seit 1990 sind Li-Ionen-Batterien aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken, und ihr Anwendungsbereich erweitert sich derzeit von mobilen elektronischen Geräten bis hin zu Elektrofahrzeugen, Elektrowerkzeugen und stationären Stromspeichern. Der ständig wachsende Markt tragbarer elektronischer Produkte und die neuen Anforderungen des Transportmarkts und der stationären Speicherung erfordern Zellen mit verbesserter Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenfähigkeit und Sicherheit. Kurz gesagt, um eine bessere Leistung zu erzielen. Diese neuen Anforderungen haben die Forschung und Optimierung neuer Materialien für Li-Ionen-Batterien vorangetrieben.
Abb. 1. Anzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen über LiFePO4-Material in den letzten 40 Jahren. Quelle: Scifinder Scholar™ 2007.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Entwicklung chemischer präparativer Methoden zur Synthese neuer elektroaktiver Materialien oder zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung bestehender Materialien aufzuzeigen und die durch die neuen erzielten Leistungsverbesserungen zu vergleichen
Materialverarbeitung. Auf diese Weise werden die Synthesemethoden verschiedener Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien analysiert. Beschrieben werden hauptsächlich Kathodenmaterialien wie Schichtoxide, die aus LiCoO2- oder LiMn2O4-Spinellderivaten abgeleitet sind. Die Olivin-LiFePO4-Phase, ein Material, das nicht nur über die richtige Spannung verfügt, um Sicherheitsmerkmale zu bieten, sondern auch aus kostengünstigen und reichlich vorhandenen Elementen besteht, wird aufgrund seiner außerordentlichen Bedeutung in den letzten Jahren besonders hervorgehoben (Abbildung 1).
In den letzten Jahren hat die Nanowissenschaft im Bereich der Batteriematerialien einen starken Aufschwung erlebt. Durch Nanodispersion und Nanostrukturierung wurde nicht nur die Leistung bisher bekannter Materialien deutlich verbessert, sondern es sind auch neue Materialien und elektrochemische Reaktionen entstanden. Daher ist die Herstellung nanostrukturierter Elektroden zu einem der Hauptziele bei Batteriematerialien geworden.
Erstens sorgen die geringe Größe und die große Oberfläche von Nanomaterialien für eine größere Kontaktfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten. Zweitens verkürzt sich die Distanz, die die Li-Ionen zurücklegen müssen, um über die Elektrode zu diffundieren. Daher kann von nanostrukturierten Elektroden eine schnellere Lade-/Entladefähigkeit, also eine höhere Rate, erwartet werden. Bei sehr kleinen Partikeln können sich die chemischen Potentiale für Lithiumionen und Elektronen ändern, was zu einer Änderung des Elektrodenpotentials führt. Darüber hinaus ist der Zusammensetzungsbereich, in dem feste Lösungen existieren, bei Nanopartikeln oft größer und die mit der Interkalation verbundene Spannung wird oft besser berücksichtigt. Darüber hinaus sind in nanostrukturierten Elektroden sogar neue elektrochemische Reaktionen aufgetreten, beispielsweise Umwandlungsreaktionen für Anoden. Daher sind Morphologie und Größe von Elektrodenmaterialien zu einem Schlüsselfaktor für ihre Leistung geworden, und die Syntheseprozesse wurden in Richtung Materialien mit Nanoarchitektur weiterentwickelt.
Dieses Kapitel bietet einen Überblick über die am häufigsten verwendeten Synthesemethoden von den Anfängen der großen Forschung zu Li-Ionen-Batterien bis zu den neuesten. Die Entwicklung der Materialleistung aufgrund neuer Verarbeitungssysteme wird diskutiert.
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