Neue Beschichtung beschleunigt Lithium-Ionen-Leitfähigkeit in unter fünf Minuten

Batterieschlämme sind Gemische aus aktiven Materialien, leitfähigen Additiven, Bindemitteln und Lösungsmitteln, die später zu Batterieelektroden verarbeitet werden. Ihre innere Struktur spielt eine entscheidende Rolle für die Leitfähigkeit, die Stabilität und die Ladeleistung. Die meisten bestehenden Evaluierungsmethoden untersuchen Schlämme unter statischen Bedingungen statt während tatsächlicher Fertigungsprozesse.

Das Team konzentrierte sich auf Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden-Schlämme und setzte Scherkräfte ein, die denen in industriellen Beschichtungsanlagen entsprechen. Gleichzeitig maß es, wie sich elektrische Signale durch das Material ausbreiten, um Veränderungen im leitfähigen Netzwerk zu verfolgen.

Leitfähige Netze unter Scherung Die Experimente zeigten, dass die Beschichtungsgeschwindigkeit einen erheblichen Einfluss auf die Batterieleistung hat. Bei niedrigen Scherraten bleiben die leitfähigen Additive verklumpt und bilden schwache elektrische Pfade. Bei sehr hohen Scherraten brach das leitfähige Netzwerk zusammen, was die Leistung ebenfalls beeinträchtigte.

Die Forscher identifizierten jedoch einen mittleren

Die Forscher identifizierten jedoch einen mittleren Bereich bei etwa 50 s⁻¹, in dem die leitfähigen Additive gleichmäßig verteilt wurden, während gleichzeitig starke elektrische Verbindungen aufrechterhalten wurden.

Elektroden, die unter diesen Bedingungen hergestellt wurden, wiesen einen geringeren Widerstand, ein verbessertes Lade-Entlade-Verhalten und eine bessere Zyklusstabilität auf als Elektroden, die bei niedrigeren oder höheren Scherraten gefertigt wurden. „Durch die Reproduktion, die denen während des Beschichtungsprozesses der Elektroden nahekommen, und der in-situ-Bewertung der Schlämme können wir den Zustand der Schlämme mit dem nach dem Trocknen gebildeten leitfähigen Netzwerk sowie mit der Batterieleistung in Beziehung setzen", sagte Associate Professor Isao Shitanda.

Die Forscher verwendeten einen Rotationsrheometer, um Beschichtungsbedingungen mit einer Dicke von 500 Mikrometern zu simulieren. Die Aufschlämmung enthielt Lithium-Eisen-Phosphat als aktives Material, Acetylen-Schwarz als leitfähiges Additiv und einen in Lösungsmittel gelösten Polymer-Bindemittel.

Leistung und Energieausbeute

Anschließend trocknete das Team die getesteten Aufschlämmungen zu Elektroden und montierte diese zu Batteriezellen für weitere Leistungsanalysen. Mikroskopische Untersuchungen bestätigten, dass mittlere Scherbedingungen die ausgewogenste leitfähige Struktur erzeugen.

Schnellere Einblicke in die Batterieproduktion: Laut den Forschern könnte die Methode die Anzahl der Versuchs- und Fehlerzyklen in der Batteriefertigung reduzieren, indem Entwickler Beschichtungsbedingungen bereits auf der Slurry-Ebene bewerten können. „Diese Methode kann vielversprechende Beschichtungsbedingungen mit weniger als einem Milliliter Slurry identifizieren; jede Messung dauert etwa fünf Minuten", sagte Shitanda.

Der Ansatz könnte zudem Batterieherstellern helfen, Materialabfälle zu verringern und Entwicklungszyklen zu verkürzen, während die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen, Elektronikgeräten und Energiespeichersystemen weiter steigt.

Obwohl die Ergebnisse mit Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien demonstriert wurden, betonen die Forscher, dass zusätzliche Validierungen für andere Batteriekonfigurationen und Zellentwürfe weiterhin erforderlich sind. Die Ergebnisse wurden im Journal of Power Sources veröffentlicht.