Ionisches Leitadditiv steigert Leistung von Lithium-Batterien
Porocarb - so heißt eine völlig neue Produktfamilie von porösen leitfähigen Kohlenstoffpulvern, die der Geschäftsbereich Quarzglas von Heraeus mit Fokus auf elektrochemische Anwendungen (z. B. als Additiv in Batterien) auf den Markt gebracht hat. Entwickelt wurden die innovativen Kohlenstoffpartikel mit Poren zwischen 10 und 1.000 nm und Porenvolumen von bis zu 2,5 cm³/g in mehr als dreijähriger Entwicklungsarbeit vom Team der Entwicklungsgruppe für neue Produkte unter Leitung von Dr. Christian Neumann. „Mit dem innovativen Pulver schließen wir die Porengrößenlücke zwischen Graphitfilzen im unteren Mikrometer-Bereich und mesoporösen Kohlenstoffen mit Porengrößen kleiner 50 nm. Dies ermöglicht neue Anwendungsgebiete", sagt Neumann.
Durch seine besondere Porengrößenverteilung kann mit der Produktfamilie erstmals ein makroporöser Kohlenstoff in elektrochemischen Speichersystemen zur Verbesserung der ionischen Leitfähigkeit in Elektroden eingesetzt werden. „Interessante Anwendungen sind der Einsatz als leistungssteigernder Zusatz in Lithium-Batterien oder als poröses, oberflächenaktives Trägermaterial für Brennstoffzellen-Katalysatoren", nennt Christian Neumann mögliche Beispiele. „Bei den Lithium-Akkus in Smartphones können wir mit unserem Produkt die Kapazität bei gleicher Größe um einige Prozent steigern oder die Batterien bei gleicher Kapazität kompakter designen."
Hohe Speicherdichten und lange Lebensdauer sind Hauptanforderungen an die Entwicklung von elektrochemischen Speichersystemen. Die Verdichtung der Elektroden in den klassischen Herstellprozessen für Hochenergie-Lithiumionen-Elektroden spielt die Hauptrolle für die Limitierung von Maximalleistung und Lebensdauer.
Die Zugabe von Porocarb-Pulvern als Additiv in Elektrodenformulierungen bewirkt, dass auch nach der Elektrodenverdichtung lokal Bereiche mit hoher Porosität vorhanden sind. Dies führt zu einer Verbesserung der effektiven Ionenkinetik bei hoher Elektrodendichte. Damit kann nun die Elektrodenschichtdicke ohne Leistungseinbußen verdoppelt werden. Dies führt neben der Erhöhung der Speicherkapazität auch zu erheblichen Kostenvorteilen bei der Herstellung. Der Kapazitätsverlust (Fading) aktueller Zellen aufgrund fortschreitender Anodendegradation sollte durch den hohen Anteil an Makroporen ebenfalls vermindert werden. Die Porosität der einzelnen Partikel führt nach Verdichtung zusätzlich zu einer erhöhten mechanischen Stabilität der Gesamtelektrode. „Das neue Material kann problemlos in bestehende Produktionsprozesse integriert werden", nennt Christian Neumann eine wichtige Eigenschaft von Porocarb.
Ein weiteres Anwendungsfeld könnte in den nächsten Generationen in Kathodenmaterialien für Li-Batterien zu finden sein. Hier werden in Forschung und Entwicklung dieser Systeme bereits Kompositstrukturen genutzt, wo Kohlenstoffe die Materialien mit hoher Speicherdichte, aber schlechter elektrischer Leitfähigkeit, optimal elektrisch und ionisch kontaktieren.
Das innovative Herstellungsverfahren (Templat-Verfahren) der Porocarb-Partikel basiert auf dem jahrzehntelangen Know-how bei der Herstellung von synthetischen Quarzgläsern. Hierbei werden Zwischenprodukte aus porösen Gläsern eingesetzt, die eine Porengrößenverteilung von einigen Nanometern bis hin zu Mikrometern aufweisen können. Basierend auf dieser Technologie entsteht eine Strukturvorlage für die neuartigen Kohlenstoffe, die auf der porösen inneren Oberfläche abgeschieden werden. Abschließend wird der Quarzglaskörper chemisch von dem entstandenen Kohlenstoffgerüst abgetrennt.
