31/03/2017 - Eine neue Elektroden-Herstellungsmethode erhöht die Effizienz der Batterien

Menéame

Forscher der Universität Carlos III. Madrid (UC3M) und des Obersten Rates für wissenschaftliche Forschung (CSIC) haben eine Methode zur Herstellung neuer Keramikelektroden für Ion-Lithium-Batterien patentiert, die effizienter, billiger, robuster und sicherer sind als herkömmliche.

Die elektrischen Batterien sind elektrochemische Geräte, die in Elektrizität gespeicherte chemische Energie umwandeln. Sie bestehen aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen und jede Zelle besteht aus einer positiven Elektrode (Katalysator) und einer negativen Elektrodenzelle (Anode), die durch einen Elektrolyt getrennt wird, der die Ionen zwischen den Elektroden bewegt. Derzeit sind Ion-Lithium-Batterien die wichtigsten elektrochemischen Speichersysteme in elektronischen Geräten und im Verkehrssektor. "Was wir patentiert haben, sind neue Keramikelektroden, die sich dadurch auszeichnen, dass sie viel sicherer sind und in einem größeren Temperaturbereich arbeiten können," erklärt einer der Erfinder, Professor Alejandro Várez von der UC3M-Forschungsgruppe für Synthese und Materialverarbeitung.

Herstellung durch Extrusion

Es handelt sich um ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Folien durch thermoplastische Extrusion. "Diese Technik ermöglicht die Herstellung flacher oder tubulärer Morphologieelektroden, die auf jede Art von Ion-Lithium-Batterie aufgebracht werden können," sagt Várez. Darüber hinaus sind die Produktionskosten relativ niedrig und können nach Angaben ihrer Schöpfer leicht an den derzeitigen Fertigungsprozess angepasst werden, so dass der Übergang zur Industrialisierung sofort erfolgen würde.

Diese keramischen Elektroden bestehen nur aus aktivem Material, wodurch das Risiko eines Abbaus und einer Entzündung bei hohen Temperaturen (über 100 °C) verringert wird. "Dies ist besonders wichtig für Elektrofahrzeuge, denn wenn es zu einem Unfall kommt und es Feuer gibt, können konventionelle Batterien in Brand gesetzt werden, und es ist sehr schwierig, sie auszuschalten," so ein anderer Patenterfinder, Jean Yves Sanchez, Forscher der UC3M von der Grenoble Alpes University (Frankreich). "Diese neuen festen Elektroden können nicht verbrannt werden, was zur Verbesserung der Sicherheit der Batterien beiträgt," fügt er hinzu.

Bei hohen Stromverbrauchsspitzen sind die kommerziellen Ion-Lithium-Batterien tendenziell überhitzt und in einigen Fällen explodiert. Der Grund dafür ist, dass die üblicherweise verwendeten Elektrolyte flüssige organische Lösungsmittel enthalten, die entzündbar sind, ebenso wie die für die Elektrodenherstellung verwendeten Zusatzstoffe. "Mit unserer Technologie werden während des Herstellungsprozesses keine Lösungsmittel verwendet," so Professor Jean Yves Sanchez. "Außerdem sind die Elektroden, die wir mit diesem Fertigungsprozess erhalten, sehr hart, sie können nicht geschnitten werden, was zur Verbesserung der Festigkeit der Batterie beiträgt."

Ein weiterer Vorteil der Batterien, die diese neuen Elektroden enthalten, ist die Effizienz, die den Untersuchungen der Forscher zufolge eine Erhöhung der spezifischen Kapazität um etwa das Dreifache gegenüber kommerziellen Elektroden derselben Dicke zeigt. Und wie diese Technik die Herstellung von Elektroden mit hoher Dicke (zwischen 450 und 1000 μm) ermöglicht, wird die Speicherkapazität pro Bereich um das Zehnfache gegenüber der heutigen Technologie erhöht.

Patent für die Herstellungsmethode

Die Erfinder des angemeldeten Patents sind: Alejandro Várez, Belén Levenfield, Jean-Yves Sanchez, Ma Eugenia Sotomayor und Wilmer Bucheli von der Forschungsgruppe für Synthese und Verarbeitung von Materialien der UC3M und José Manuel Amarilla, Forscher am Institut für Materialwissenschaft in Madrid des CSIC. "Die Teilnahme des Wissenschaftsparks der UC3M war von entscheidender Bedeutung, da er uns sowohl bei der Bearbeitung als auch bei der Vermarktung des Patents unterstützt hat," sagt Alejandro Várez.

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UC3M

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