Die meisten Festkörper dehnen sich bei Wärme aus und ziehen sich bei Kälte zusammen, jedoch dehnt sich das Lithium-Titan-Phosphat (LiTi2(PO4)3) bei Kälte aus. Dies könnte eine Lösung für die reduzierte Leistung von Lithium-Ionen-Akkus in kalten Umgebungen darstellen. Ein chinesisches Forschungsteam hat dessen Eignung als Elektrodenmaterial demonstriert. Lithium-Ionen-Akkus sind wichtig für tragbare Geräte, Elektrofahrzeuge und die Speicherung erneuerbarer Energien, funktionieren jedoch nur gut bei warmen Temperaturen. Bei Kälte sinkt ihre Leistungsfähigkeit erheblich, was problematisch für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militär ist. Bisherige Lösungen wie Heizungen oder verbesserte Elektrolyte erhöhen die Kosten und Komplexität der Akku-Herstellung oder mindern die Leistung.
Eine Ursache für das Kälteproblem ist die verlangsamte Diffusion der Lithium-Ionen im Elektrodenmaterial. Hier setzt das Team von der Donghua University und der Fudan University in Shanghai sowie der Inner Mongolia University in Hohhot an und schlägt einen neuen Ansatz vor: Elektroden aus elektrochemischen Energiespeicher-Materialien mit negativer Wärmeausdehnung (negative-thermal-expansion, NTE) wie Lithium-Titan-Phosphat LiTi2(PO4)3 (LTP). Das Team um Liming Wu, Chunfu Lin und Renchao Che verwendete LTP als Modellsubstanz, um zu zeigen, dass Elektrodenmaterialien mit NTE-Eigenschaften unter niedrigen Temperaturen gute Leistungen bringen können.
Die Analyse der Kristallstruktur von Lithium-Titan-Phosphat (LiTi2(PO4)3) zeigt ein dreidimensionales Gitter aus TiO6-Oktaedern und PO4-Tetraedern mit einer offenen, flexiblen Struktur, die "Höhlen" und "Kanälchen" für die Einlagerung von Lithium-Ionen enthält. Bei Abkühlung dehnt sich die Struktur entlang einer Kristallachse aus. Durch spektrometrische und elektronenmikroskopische Analysen sowie Computerberechnungen stellte das Forschungsteam fest, dass sich bei niedrigen Temperaturen die Schwingungsmodi der Atome ändern, insbesondere treten verstärkt Querschwingungen bestimmter Sauerstoffatome auf. Dies führt zu vergrößerten Abständen zwischen den Atomen, wodurch die Hohlräume des Gitters erweitert werden und der Transport von Lithium-Ionen erleichtert wird. Bei −10 °C erreicht die Diffusionsgeschwindigkeit der Lithium-Ionen noch 84 % des Wertes bei 25 °C. Elektrochemische Tests an Kohlenstoff-beschichtetem LTP zeigen auch bei −10 °C eine gute elektrochemische Leistung mit hoher Kapazität, hoher Entladungsrate und sehr hohem Kapazitätserhalt über 1000 Lade-/Entlade-Zyklen.
Materialien mit negativer Wärmeausdehnung sind damit ein vielversprechender Ansatz als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien für kalte Umgebungen.
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Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (01/2025)
Publikation:
https://doi.org/10.1002/ange.202419300
Dienstag, den 21. Januar 2025 um 04:22 Uhr