Der Reporter erfuhr am 17. von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass chinesische Forscher bahnbrechende Fortschritte bei der Erforschung von Lithiumbatterien der nächsten Generation erzielt haben. Sie fanden heraus, dass das lithiumreiche Kathodenmaterial auf Manganbasis beim Erhitzen automatisch schrumpft. Diese Eigenschaft kann tatsächlich dazu beitragen, dass die alternde Batterie ihre Spannung wiederherstellt und die alte Batterie „verjüngt“.
Diese Entdeckung enthüllt nicht nur den Funktionsmechanismus des Materials, sondern bietet auch eine neue Richtung für die Entwicklung von Lithiumbatterien der nächsten Generation, die langlebiger und selbstreparierbarer sind. Relevante Forschungsergebnisse wurden online in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Schematische Darstellung der Beziehung zwischen Übergangsmetall- und sauerstoffaktiven Zentren und der thermischen Ausdehnung des Materials. Foto mit freundlicher Genehmigung des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften
Um die „Reichweitenangst“ von Elektrofahrzeugen und Elektroflugzeugen zu lösen, ist es notwendig, die nächste Generation der Hochenergie-Lithiumbatterietechnologie zu entwickeln. Wissenschaftler haben sich auf Lithium-reiche Kathodenmaterialien auf Manganbasis konzentriert. Damit hergestellte Batterien können die Stromspeicherkapazität im Vergleich zu bestehenden Batterien um 30 % erhöhen, was einer direkten Erweiterung der Kapazität eines Kraftstofftanks um 30 % entspricht. Darüber hinaus ist Mangan billiger als Kobalt und Nickel, sodass dieses Material als „sechseckiger Krieger“ bezeichnet werden kann, der sowohl stark als auch erschwinglich ist.
Obwohl das Lithium-reiche Mangan-basierte Kathodenmaterial als sauerstoffaktives Kathodenmaterial eine extrem hohe spezifische Entladungskapazität aufweist, weist es bei der tatsächlichen Verwendung immer noch ein ernstes Problem auf: Nach mehreren Lade- und Entladevorgängen nimmt die Spannung der Lithium-reichen Mangan-basierten Batterie allmählich ab und es kommt zu einer Alterung. „Dies erschwert den Einsatz von Lithium-reichen Mangan-Batterien in praktischen Anwendungen immer noch. Daher ist die Aufrechterhaltung einer hohen Energiedichte und eines langfristig stabilen Betriebs dieser Lithium-reichen Mangan-basierten Batterie zu einem dringenden Problem geworden, das Wissenschaftler lösen müssen.“ Liu Zhaoping, Mitautor des Papiers und Forscher am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte.
In dieser Studie enthüllten die Forscher eine interessante Eigenschaft des lithiumreichen Kathodenmaterials auf Manganbasis: Es schrumpft beim Erhitzen. Durch geeignetes Erhitzen kann das Material aus einem ungeordneten Zustand in eine stabilere, geordnete Struktur mit niedrigerer Energie zurückversetzt werden, was dazu führt, dass die Batterie kleiner wird und somit die Eigenschaft einer „Wärmeschrumpfung“ aufweist. „Auf dieser Grundlage haben wir eine neue Methode gefunden, um durch elektrochemische Mittel ein ‚umgekehrtes Wachstum‘ alternder Lithium-Mangan-Batterien zu erreichen.“ sagte Liu Zhaoping.
Rezensenten der Zeitschrift Nature lobten diese Leistung. Er sagte, dass das Forschungsteam zum ersten Mal entdeckt habe, dass sich die Struktur von Kathodenmaterialien auf Lithium- und Manganbasis durch Temperatur oder Elektrochemie von einem ungeordneten Zustand in einen geordneten Zustand umwandeln könne. Diese Entdeckung durchbricht den theoretischen Rahmen der Strukturumwandlung traditioneller Elektrodenmaterialien und eröffnet eine neue Forschungsrichtung für das Verständnis der Struktur-Leistungsbeziehung von Elektrodenmaterialien.