Funktionelle Biopolymere Bindemittel für Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte und ultraschneller Zykluszeit, die bei extremen Temperaturen betrieben werden (BLISET)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fast dreißig Jahre nach ihrer erfolgreichen Markteinführung erfreuen sich wiederaufladbare Li-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer ständig steigender Nachfrage. Sehr wichtige Aspekte für Batterien sind weiterhin Sicherheit, Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz, hohe Strombelastung und Betrieb in einem weiten Temperaturbereich. Es wird erwartet, dass Batterien weltweit eine hervorragende Leistung erbringen, unabhängig von der geographischen Lage und dem damit verbundenen Klima. Um solche Ziele zu erreichen, richtet sich die Aufmerksamkeit nicht nur auf die Optimierung des Elektrodenmaterials, sondern auch auf andere Batteriekomponenten. Eine der Schlüsselkomponenten von Batterien ist das Bindemittel, das für eine homogene Verteilung und den Zusammenhalt der Partikel (Elektrodenmaterial und leitfähiger Kohlenstoff), aus denen die Elektroden bestehen, verantwortlich ist. Außerdem sorgt das Bindemittel für eine starke und dauerhafte Haftung am Stromkollektor und trägt auch zu einer schnelleren Diffusion der Lithiumionen bei. Ziel dieses Projekts war es, ein umweltfreundlicheres Verfahren zur Herstellung von Elektroden mit verbesserten mechanischen, thermischen und leitfähigen Eigenschaften mithilfe des Bindemittels zu entwickeln, um die Batterieleistung bei hohen Stromraten zu erhöhen und den Temperaturbereich für den Betrieb von Li-Ionen-Batterien zu erweitern. Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein neuer Bindemitteltyp auf Basis des Biopolymers Chitosan präpariert. Neben Chitosan enthält dieses neue Bindemittel auch eine ionische Flüssigkeit PYR14DCA und ein Lithiumsalz LiTFSI. Im Projekt wurde dieses Polymer-Gel-Bindemittel (PGB) in hochleistungsfähigen Li-Batterien sowohl an der Kathodenseite als auch an der Anodenseite eingebaut und bei verschiedenen Stromraten und Betriebstemperaturen untersucht. Es wurde festgestellt, dass das Bindemittel in Kombination mit einer konventionellen LiFePO4- Kathode bei 60 °C eine Fe-Auflösung im Elektrolyten und die darauffolgende Fe-Diffusion zur Anode stark reduziert und die Batterieleistung im Gegensatz zur konventionellen LiFePO4/PVDF-Elektrode viel länger aufrechthält. In Kombination mit einer Graphit-Anode zeigte das neue Bindemittel auch eine erhöhte Leistung im Vergleich zur Graphit/PVDF-Anode, was auf eine unterstützte hohe Li+-Diffusion und die positiv wirkende LiF-reiche Zwischenschicht zwischen der Graphit/PGB-Elektrode und dem Elektrolyten zurückzuführen ist. Im Laufe des Projektes wurden auch andere Biopolymere wie Gelatine, Pektin und DNA als Einzelkomponenten-Bindemittel untersucht, deren Vorteile auf einer sehr einfachen und umweltfreundlichen Präparationsmethode beruhen. Sie zeigten ein vielversprechendes Anwendungspotential in Li-Ionen-Batterien für den Tieftemperaturbetrieb unterhalb 25 °C.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Dissertation zur Erlangung des wissenschaftlichen Grades Doktoringenieur mit dem Titel „Novel Polymer Gel Binder for Li-ion Batteries with Improved Electrochemical Performance“, TU Dresden, Januar 2022.
Ling Ding
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Superior high-temperature rate performance of LiFePO4 cathode: The stabilizing effect of a multicomponent gel biopolymer binder. Journal of Power Sources, 521, 230955.
Ding, Ling; Leones, Rita; Schmeida, Toni; Nielsch, Kornelius & Mikhailova, Daria
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Graphite Anode Functionalized with a Gel Biopolymer Binder for Li-Ion Batteries Operating in a Broad Temperature Range. ACS Applied Energy Materials, 6(8), 4404-4412.
Ding, Ling; Bagul, Pratik; Cui, Liyao; Oswald, Steffen; Pohle, Björn; Leones, Rita & Mikhailova, Daria
