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Die Zukunft der Nanobatterien: Warum Silizium-Nanodrähte der neue Star der Batterien werden können?
In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Nanobatterie-Technologie mit dem rasanten Wachstum der weltweiten Nachfrage nach Energiespeicherlösungen Schritt gehalten, insbesondere mit der Zunahme von Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien. Nanobatterien verwenden Nanodrähte, um die Oberfläche der Batterieelektroden zu vergrößern, ein Design, das die Kapazität der Batterie deutlich verbessert. Obwohl Silizium-, Tantal- und Übergangsmetalloxid-Varianten von Lithium-Ionen-Batterien vorgeschlagen wurden, wurden sie noch nicht kommerziell genutzt.
Diese neuen Batterien bieten einen Ersatz für die herkömmliche negative Graphitelektrode und könnten die Batterieleistung deutlich verbessern.
Silizium: Der neue Liebling unter den Batterien
Siliziummaterialien werden aufgrund ihrer Entladespannung und ultrahohen theoretischen Ladekapazität hoch geschätzt und könnten eine ideale Wahl für zukünftige negative Elektroden von Lithiumbatterien sein. Der Forschung zufolge ist die theoretische Kapazität von Silizium fast zehnmal höher als die der derzeit in der Industrie verwendeten Standard-Graphitanode. Das Nanodrahtformat trägt zur weiteren Verbesserung dieser Eigenschaften bei, da es die mit dem Elektrolyt in Kontakt stehende Oberfläche vergrößert und dadurch die Leistungsdichte erhöht und ein schnelleres Laden und Entladen ermöglicht.
Obwohl sich Silizium beim Laden um bis zu 400 Prozent ausdehnen und schließlich ausfallen kann, kann das Nanodraht-Design diesen Nachteil effektiv mildern.
Die Schädigung von Silizium-Nanodrähten ist vor allem auf die Volumenänderung beim Ladevorgang zurückzuführen, die zur Rissbildung führt und sich letztendlich als Kapazitätsverlust bemerkbar macht. Der geringe Durchmesser der Nanodrähte verringert jedoch wirksam die Schäden, die durch diese Ausdehnung verursacht werden, und ermöglicht es ihnen, als direkte Kanäle für den Ladungstransport zu dienen und gleichzeitig eine Verbindung zu Stromkollektoren herzustellen, im Vergleich zu der Partikel-für-Partikel-Bewegung, die für partikelbasierte Elektroden erforderlich ist. Transport Die Effizienz wird erheblich verbessert.
Das Potenzial von Germanium
Ein weiterer Vorteil von Germanium-Nanodrähten ist ihre hohe theoretische Kapazität und hervorragende Leistung beim Lithium-Insertionsprozess. Obwohl sich Tantal bei Ladung ebenfalls ausdehnt und zersetzt, kann es Lithium 400-mal effizienter aufnehmen als Silizium, was es zu einem attraktiveren Material für negative Elektroden macht. Es wird gesagt, dass die Germanium-Nanodrähte nach 1.100 Lade- und Entladezyklen immer noch eine Kapazität von 900 mAh/g behalten können.
Anwendungen von Übergangsmetalloxiden
Übergangsmetalloxide (TMOs) wie Cr2O3, Fe2O3 usw. haben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Batteriematerialien und sind umweltfreundliche und ungiftige Optionen. Die hohe theoretische Energiekapazität dieser Materialien macht sie zu Kandidaten für Lithium-Ionen-Batterien. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit TMO hergestellte Nanodrähte ein großes Potenzial als Batterieelektroden haben, und Experimente haben gezeigt, dass sie eine stabile Leistungsabgabe und lange Lebensdauer bieten können.
So hat beispielsweise die neueste Forschung mit PbO2-Nanodrähten gezeigt, dass diese nach 1.000 Lade- und Entladezyklen eine stabile Kapazität von 190 mAh/g aufrechterhalten können, was darauf hindeutet, dass das Material das Potenzial hat, ein hervorragender Ersatz für Blei-Säure-Batterien zu werden. .
Innovation bei Gold-Nanodrähten
Im Jahr 2016 gab ein Forschungsteam der University of California in Irvine die Entwicklung eines neuen Nanodrahtmaterials bekannt, das mehr als 200.000 Ladezyklen ohne physischen Bruch übersteht. Die Einführung dieser Technologie dürfte die Entwicklung langlebiger Batterien vorantreiben, sodass die Batterien vieler elektronischer Produkte nicht mehr ausgetauscht werden müssen.
Blick in die Zukunft
Viele Arten von Nanobatterien weisen zwar eine ausgezeichnete Leistung auf, doch bestehen weiterhin Herausforderungen wie Sprödigkeit und Materialstabilität. Mit fortschreitender Forschung könnten Nanobatterien in Zukunft kommerziell genutzt werden und unser Verständnis der Batterietechnologie völlig verändern. Angesichts der zunehmenden Weiterentwicklung der Nanobatterietechnologie sollten wir uns nun folgende Frage stellen: Können Nanobatterien bei zukünftigen Energiespeicherlösungen eine gängige Wahl werden?
