„Einfache, umweltfreundliche Beschichtung kann die Leistung von Batterien verbessern“

Einfache und umweltfreundliche Beschichtung kann die Leistung von Batterien verbessern

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit der Goldstandard in der Batterietechnologie, aber da die Nachfrage nach sicheren und effektiven Batterien steigt, suchen Forscher nach neuen Lösungen.

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Festkörper-Lithium-Batterien könnten eine Alternative zur aktuellen Lithium-Ionen-Batterietechnologie sein, aber Verbesserungen in ihrer Kapazität sind notwendig.

Eine neue Studie, die von Forschern des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet wurde, zeigt wie ferroelektrische Kathodenbeschichtungen die Kapazität von Festkörper-Lithium-Batterien erhöhen können.

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Die Studie wurde am 28. März in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Ferroelektrische Materialien besitzen ein inhärent polarisiertes elektrisches Feld, das breit eingesetzt wird, um die Trennung und Übertragung von Ladungen in vielen elektrochemischen Forschungsbereichen zu beschleunigen.

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„In der Welt der Festkörper-Lithium-Batterien ist es weithin akzeptiert, dass die ferroelektrische Polarisierung das eingebaute elektrische Feld an der Elektrode/Festelektrolyt-Grenzfläche induziert, das die Raumladungsschicht unterdrücken und den Lithiumtransport ankurbeln könnte“, sagt Dr. Li Wenru, Erstautor der Studie. „Die Konstruktionsmechanismen des ferroelektrischen, eingebauten elektrischen Feldes in diesen Batterien sind jedoch schlecht verstanden worden. Die Offenlegung dieses Mechanismus wird zu einer kritischen Herausforderung.“

Um mehr darüber zu erfahren, wie das ferroelektrische Material die Funktion der Batterie verbessert, haben die Forscher die Lithium-Kobaltoxid-Kathode mit einer Beschichtung aus einem organisch-anorganischen hybriden ferroelektrischen Material namens Guanidiniumperchlorat bedeckt. Guanidiniumperchloratbeschichtungen wurden als Einzeldomänenzustand gefunden, was bedeutet, dass die inneren ferroelektrischen Dipole in eine Richtung zeigen. Dieses Verhalten erzeugt schließlich das abwärts gerichtete eingebaute elektrische Feld an der Kathode/Elektrolyt-Grenzfläche. Guanidiniumperchlorat kann durch Verdampfung von Lösungsmitteln wie Ethylalkohol hergestellt werden, was es zu einer preiswerten und umweltfreundlichen Option für die Batterieherstellung macht.

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Die Forscher fanden heraus, dass die Kapazitäten der Festkörper-Lithium-Batterien mit der ferroelektrischen Beschichtung auf der Kathode fast genauso hoch sind wie bei der aktuellen flüssigen Lithium-Ionen-Batterie, was viel höher ist als bei den Festkörper-Lithium-Batterien mit unbeschichteter Kathode.

Sie analysierten auch, wie die aktiven Partikel mit dem Elektrolyten in der Kathode mit und ohne Beschichtung interagierten. Wenn das Lithium-Kobaltoxid auf den Festelektrolyten trifft, bildet sich eine Raumladungsschicht, die die Bewegung von Elektronen in der Batterie stört. Die Raumladungsschicht begrenzt den Transport des Lithiums und reduziert die Kapazität der Batterie. Als die Beschichtungen auf die Kathode aufgetragen wurden, ließ das wirksame ferroelektrische, eingebaute elektrische Feld das Lithium fluider durch die Kathode/Elektrolyt-Grenzfläche bewegen und erhöhte die Kapazität der Batterie trotz der Raumladungsschicht.

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„Wir haben festgestellt, dass der Flexoelektrikeffekt, der durch den Gitterfehlanpassung verursacht wird, der Hauptfaktor für den Selbstpolarisationseffekt der Beschichtungen ist. Unsere Studie entwirft nicht nur Festkörper-Lithium-Batterien mit exzellenten elektrochemischen Eigenschaften, sondern entdeckt auch die wissenschaftliche theoretische

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