Abgeschlossenes Projekt: Nanostrukturierte Lithium-Ionen-Batterien
Der Fokus dieses Projekts lag auf der Verbesserung der Batterieleistung mittels mesostrukturierter und hierarchisch aufgebauter Anoden und Kathoden.
Ziel des Projekts unter Leitung von Prof. Ullrich Steiner vom Adolphe Merkle Institute der Université de Fribourg war es, eine hochspezifische Oberfläche für die Li-Ionen-Interkalation zu erzeugen, die grössere Poren für die Ionen-Diffusion aufweist. Das erzeugte Netzwerk sollte gute mechanische Eigenschaften hinsichtlich der Ladezyklen aufweisen.
Resultate
Der Ansatz, um die oben genannten Ziele zu erreichen, bestand in der Kombination einer Sol-Gel-Synthese von anorganischen Materialien mit Blockcopolymer-Selbstorganisation, wie sie von der Gruppe von Steiner für andere Materialfunktionalitäten (z. B. Photovoltaik, Optik) bereits gezeigt wurde. Der ursprüngliche Ansatz verwendete deshalb den Aufbau von Blockcopolymeren mit Sol-Gel-Prozessen zur Herstellung nanostrukturierter Anatas/Titanoxid-Kugeln von mehreren Mikrometern Durchmesser. Dies ist ein Machbarkeitsnachweis, dass Materialien für Batterien mit streng kontrollierten hierarchischen Morphologien vom Nanometer- bis zum Mikrometerbereich leicht synthetisiert werden können. Dieses Vorgehen wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Nottingham um einen zweiten ergänzenden Ansatz erweitert, bei dem ähnliche nanostrukturierte, selbstorganisierte Polymer-Kugeln in überkritischem CO2 synthetisiert wurden. Beide Ansätze dienen als generische Plattform für die Herstellung einer Reihe von anorganischen Materialien für Batterie-Elektroden. Der Nutzen dieses Ansatzes wurde belegt durch die Herstellung von hierarchisch mesoporösem Lithium-Eisenphosphat, einem gängigen Kathodenmaterial für Batterien. In einer Lithium-Halbzelle zeigten mit industriellen Standardprozessen abgelagerte mesoporöse Li-Eisenphosphat-Elektroden eine aussergewöhnliche Zyklierbarkeit und eine hervorragende Lebenszyklusdauer. Auch Lithiummetatitanat, das häufig als passendes Anodenmaterial eingesetzt wird, wurde in ähnlicher Weise als mesoporöse Kugeln synthetisiert. Wie bei Lithium-Eisenphosphat wurden hervorragende mechanische und elektrochemische Eigenschaften gefunden. Insgesamt wurden im Rahmen dieses Projekts Elektrodenmaterialien mit genau definierter Porosität synthetisiert, welche die Leistungsmerkmale von Batterien erheblich verbessern, wobei die Herstellung mit den Standard-Produktionsprozessen kompatibel bleibt.