Batterieelektrode mit verbesserter Schnelllade-Fähigkeit durch innovative Mikrostrukturierung

Dieses innovative Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Elektroden ermöglicht die Realisierung von Batterien mit hoher Energiedichte, Schnelllade-Fähigkeit und verminderter Alterung. Die Strukturierung erfolgt durch gezielten und ausschließlichen Abtrag von Passivmaterial, was die ionischen Transportfähigkeiten signifikant verbessert, ohne dabei die speicherbare Energiemenge zu reduzieren.

Die Eigenschaften von Batterien wie z.B. Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer/Alterung und Sicherheit werden wesentlich durch den Aufbau der Elektroden, bzw. die Elektrodenmikrostruktur, bestimmt.

Die Kenngrößen Energiedichte (relevant für Reichweite und Nutzungsdauer) und Leistungsdichte (relevant für (Ent-)Ladezeit) bei Batterien verhalten sich üblicherweise gegensätzlich, weswegen je nach Einsatzgebiet ein Kom­promiss eingegangen werden muss. Eine dreidimensio­nale Mikrostrukturierung der Elektroden, z. B. durch Kanal­bildung, verbessert zwar die Transporteigenschaften, geht aber zwangsläufig mit einem Abtrag/Verlust von Aktiv­material und damit einer Reduzierung der volumetrischen Energiedichte einher, stellt also keine befriedigende Lösung dar.

An der Hochschule Aalen konnte ein innovatives Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Elektroden entwickelt werden, welches die o. g. Nachteile vermeidet. Das Ver­fahren ist anwendbar bei allen Batterieelektroden, bei denen Transportvorgänge von Ladungsträgern über Poren geschwindigkeitsbestimmend sind, also insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien.
Dazu wird bevorzugt mittels eines Lasers (IR-Lampe, plas­magestützte Verfahren o. ä. sind ebenso denkbar) oberflä­chennah an der Elektrode nur sogenanntes Passivmaterial (insbesondere Binder) abgetragen, nicht jedoch das Aktiv­material. Dadurch wird die Zugänglichkeit des Elektrolyten zu den Elektroden und daraus resultierend, die ionischen Transportfähigkeiten signifikant verbessert, ohne die spei­cherbare Energiemenge zu reduzieren.
Durch das Entfernen lediglich des oberflächennahen Pas­sivmaterials wird die Stabilität der Elektroden dabei nicht geschwächt. Die Mikrostrukturierung der Elektro­den­oberfläche kann vollständig, nur teilweise und/oder auch lokal durch punktförmige Vertiefungen erfolgen.

• höhere Energiedichte, damit mehr Reichweite und längere Nutzungsdauer
• verbesserter ionischer Transport, damit
  • schnelleres Laden bzw. Entladen
  • weniger metallische Li-Abscheidung
  • geringere Alterung
  • mehr Sicherheit
• anwendbar insbesondere bei Elektroden mit hoher Verdichtung, also hoher Energiedichte
• anwendbar bei einer Vielzahl von Elektroden-materialien anoden- und kathodenseitig durch Einstellung der Laserparameter
• nachgewiesen für Lithium-Ionen-Batterien

Vor dem Hintergrund des vielfältigen, ständig zunehmen­den Einsatzes von Batterien konnte nun ein innovatives Verfahren zur Herstellung von oberflächenmodifizierten Kathoden entwickelt werden, welches eine Erhöhung der Energiedichte von bis zu 20 % bewirken kann. Diese inno­vative Oberflächenmodifizierung ist perspektivisch auch an graphitbasierten Anoden von Lithium-Ionen-Batterien mög­lich.