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16.04.2015 | Automobil + Motoren | Nachricht | Online-Artikel

Forscher stellen Hochleistungselektroden aus Graphen-Hydrogelen her

verfasst von: Christiane Brünglinghaus

2:30 Min. Lesedauer

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US-amerikanische Wissenschaftler haben solvatisierte Strukturen aus Graphen entwickelt. Dieses solvatisierte Graphengerüst kann als Hochleistungselektroden für Lithium-Ionen-Batterien dienen. Das Graphengerüst zeigt eine deutlich bessere Lithiumdiffusion als festes Graphit.

Wie kann man die Elektroden von Batterien und Akkumulatoren effizienter machen? In der Zeitschrift Angewandte Chemie haben amerikanische Wissenschaftler solvatisierte Strukturen aus Graphen vorgestellt, die als robustes, hoch leistungsfähiges Material für die Anode dienen können. In eine Lithiumknopfzelle eingespannt, habe eine derartig aufgebaute Elektrode eine deutlich bessere Kapazität als das gängige Graphit gezeigt, erklären die Forscher.

Wie leistungsfähig Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind, hängt vor allem von den Materialien ab, aus denen die Elektroden aufgebaut sind. Nicht nur die Leitfähigkeit muss hoch sein, auch die Porosität ist extrem wichtig, um eine rasche Diffusion der Lithium-Ionen während der Lade-/Entladezyklen zu gewährleisten. Üblicherweise wird Kohlenstoff in seiner Graphitform verwendet. Der Wissenschaftler Xiangfeng Duan von der University of California sieht bei Graphit jedoch Nachteile für künftige Anforderungen, denn es besitze eigentlich nur eine geringe theoretische Kapazität und keine besonders guten Lade-/Entladeeigenschaften .

Bessere Lithiumdiffusion als festes Graphit

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Dagegen bietet das nur aus einer Kohlenstoff-Atomlage bestehende Graphen eine riesige Oberfläche und ist mechanisch hoch flexibel. Es ist jedoch schwierig, Graphen ohne Aggregation, das heißt ohne Verlust an der Fläche, in eine dreidimensionale Elektrodenstruktur zu verpacken. In diesem Zusammenhang haben Duan und seine Arbeitsgruppe an der University of California ein hydratisiertes Graphengel hergestellt, das sich in stabile poröse 3D-Strukturen mit exzellenten Elektrodeneigenschaften umwandeln lässt.

Die Wissenschaftler setzten nach einem chemisch-physikalisches Hydrothermalverfahren Graphenoxidpulver in ein Hydrogel um, das so stabil ist, dass es in Würfelform frei stehen kann. An diesem Würfel tauschten die Forscher die Wassermoleküle einfach mit ionischen Flüssigkeiten oder organischen Lösungsmitteln aus. Das somit hergestellte solvatisierte Graphengerüst ließ sich zu Elektroden zum Beispiel für die Lithium-Knopfzelle pressen. Weil es seine Porosität beibehielt, zeigten diese Elektroden eine deutlich bessere Lithiumdiffusion als das feste Graphit, und das bei den hervorragenden elektronischen Eigenschaften des Graphens.

Synthese von Graphenmaterialien für die Energiespeicherung

Im Vergleich mit Aerogelen, das heißt trockenen porösen Graphengerüsten, habe das neuartige solvatisierte Gerüst ebenfalls besser abgeschnitten, berichten die Wissenschaftler. Nicht nur für die Batterietechnologie böten solche dreidimensionale Graphenstrukturen große Vorteile. Die neuen Ergebnisse ermöglichten allgemein "fundamentale Erkenntnisse" für die "künftige Konzeption und Synthese von Graphenmaterialien für die Energiespeicherung und weitergehenden Technologien".

Die Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in: Dr. Yuxi Xu, Zhaoyang Lin, Dr. Xing Zhong, Ben Papandrea, Prof. Yu Huang and Xiangfeng Duan. Solvated Graphene Frameworks as High-Performance Anodes for Lithium-Ion Batteries, in: Angewandte Chemie (2015), DOI: 10.1002/ange.201500677.

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