Revolutionizing EV Batteries: Innovative New Binder Doubles Performance

Forscher haben einen neuen Hochleistungsbinder für Elektroden auf der Basis von Mikrosiliziumoxid (SiO) in Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Dieses Bindemittel namens Poly(vinylphosphonsäure) (PVPA) verbessert nachweislich die Gesamtleistung und Haltbarkeit der Batterien im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Diese Leistung wird Noriyoshi Matsumi vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) zugeschrieben.

Trotz ihres weit verbreiteten Einsatzes in verschiedenen Bereichen müssen Lithium-Ionen-Batterien immer noch an ihren Bindemitteln verbessert werden, um die Leistung zu steigern und den steigenden Anforderungen gerecht zu werden. Siliziumoxid (SiO), ein vielversprechendes Anodenmaterial, das für seine hohe Kapazität und seine geringen Kosten bekannt ist, bringt gewisse Herausforderungen mit sich, wie z. B. eine schlechte Leitfähigkeit – die zu langsameren Laderaten führt – und eine erhebliche Ausdehnung während des Ladevorgangs. Daher sind wirksame Bindemittel von entscheidender Bedeutung, um diese Probleme anzugehen und eine verbesserte Leistung und Haltbarkeit von Lithium-Ionen-Batteriesystemen sicherzustellen.

Eine aktuelle Studie, die am 8. Februar 2024 in der Zeitschrift ACS Applied Energy Materials unter der Leitung von Professor Noriyoshi Matsumi von JAIST zusammen mit Noriyuki Takamori, Rajashekar Badam, Dr. Tejkiran Pindi Jayakumar und Forschern von Maruzen Petrochemical Company Ltd. veröffentlicht wurde, untersuchte dies Verwendung von PVPA als Bindemittel für Mikro-SiO-Elektroden. Die Arbeit der Forscher führte zu einer überlegenen Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Zellen.

Prof. Matsumi erklärt: „Der PVPA-Binder bietet eine vielversprechende Lösung zur Verlängerung der Lebensdauer leistungsstarker Lithium-Ionen-Sekundärbatterien. Dies gilt insbesondere für Elektrofahrzeuge, bei denen ein großes Interesse daran besteht, sicherzustellen, dass Lithium-Ionen-Sekundärbatterien eine lange Lebensdauer haben. PVPA bietet eine bessere Alternative zu kommerziell erhältlichen Bindemitteln wie Poly(acrylsäure) (PAA) und Poly(vinylidenfluorid) (PVDF).“

Das Forschungsteam führte eine Studie durch, bei der es um die Herstellung von Elektroden mit PVPA-, PAA- und PVDF-Bindern ging. Die Leistung dieser Bindemittel wurde durch elektrochemische Experimente und Dichtefunktionaltheorie bewertet. Es wurde festgestellt, dass PVPA eine deutlich stärkere Haftung (3,44 N/m) an einem Kupferträger aufweist als PAA (2,03 N/m), was zu einer deutlich verbesserten Haltbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien führt.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass eine PVPA-basierte Zelle nach 200 Zyklen fast die doppelte Entladekapazität einer PAA-basierten Zelle lieferte. Darüber hinaus gelang es der PVPA-basierten Halbzelle, nach der gleichen Anzahl von Zyklen 1300 mAhg-1SiO zu erreichen. Die Verwendung von PVPA führte auch zu einer Stabilisierung der SiO-basierten Anode, wodurch ein Abblättern selbst bei erheblicher Volumenausdehnung verhindert wurde.

In einer bemerkenswerten Entwicklung hat der Partner der Studie, Maruzen Petrochemical Company Ltd., einen industriellen Produktionsprozess für PVPA gestartet. Eine fortlaufende Zusammenarbeit mit diesem Unternehmen und JAIST könnte den innovativen Ordner der praktischen Anwendung näher bringen. Patente für diese Technologie wurden in Japan und international gemeinsam von JAIST und Maruzen Petrochemical Company Ltd. angemeldet.

Laut Prof. Matsumi „wird dieses industriell nutzbare, leistungsstarke Bindemittel zur Entwicklung äußerst langlebiger Batterien mit hoher Energiedichte beitragen.“ Dies wird die breitere Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) ermöglichen, ohne dass Bedenken hinsichtlich der Leistungsdifferenzierung über einen langen Zeitraum bestehen. Die Materialien könnten in Zukunft auch auf verschiedene Elektrofahrzeuge wie Züge, Schiffe und Flugzeuge anwendbar sein.“

Zusammenfassend wurde ein neues funktionelles Bindemittel unter Verwendung von Poly(vinylphosphonsäure) für SiO-basierte Anoden in Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Dieses erschwingliche Bindemittel verbessert die Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Optionen und stellt einen bemerkenswerten Durchbruch für Mikro-SiO-basierte Anwendungen in Elektrofahrzeugen und anderen Formaten dar.

Die Referenz für diese Studie ist: „Facile Stabilization of Microsilicon Oxide Based Li-Ion Battery Anode Using Poly(vinylphosphonic acid)“ von Noriyuki Takamori, Tadashi Yamazaki, Takuro Furukawa, Tejkiran Pindi Jayakumar, Rajashekar Badam und Noriyoshi Matsumi, veröffentlicht am 8. Februar , 2024, in ACS Applied Energy Materials.

Diese Forschung wurde von JST SPRING unter der Fördernummer JPMJSP2102 unterstützt.