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Damit ein E-Auto über eine längere Reichweite verfügen kann, muss seine Batterie eine ausreichende Energiemenge speichern können, ein kleiner Gewicht haben und nicht viel Platz beanspruchen. Dies erfordert eine hohe Energiedichte.
Das ultimative Ziel der Industrie ist es, die Energiedichte von 300 Wh/kg und 800 Wh/l zu überschreiten. Heute beträgt die Energiedichte der besten auf dem Markt erhältlichen Batteriezellen jedoch 260 Wh/kg und 700 Wh/l (Typ 21700). Erhebliche Verbesserungen sind erforderlich.
Um diese Ziele zu erreichen oder sogar zu überschreiten, ist es notwendig, anoden- und kathodenaktive Materialien mit der höchsten Energiedichte zu verwenden.
Für die Kathode geht es um Werkstoffe mit hohem Nickelgehalt wie z.B. NCA, NCM 811, NCM 622. Das beste und beinahe das einzige wirksame, aktive Anodenmaterial ist Silizium (sowie Werkstoffe auf Si-Basis wie SiO и SiOx).
Silizium kann mehr als 9-mal mehr Energie speichern als Graphit, das traditionell als aktives Material in der Anode verwendet wurde. Der Übergang von Graphit-Anoden auf die Silizium-Anoden kann somit die Energiedichte der Batterie erheblich steigern.
Jeder Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien würde Silizium anstelle von Graphit für seine Akkuzellen einsetzen. Doch dies wird durch das grundlegende und bis vor kurzem ungelöste Problem des Siliziums verhindert.
Das Silizium weist bei Ladung und Entladung der Batterie eine wesentliche Volumenzunahme (bis 4-mal) auf, was eine Rissbildung verursacht. Aufgrund von Rissen im Silizium geht der Kontakt zwischen den Anodenmaterialpartikeln des Siliziums verloren. Daraus ergibt sich ein schnelleres Versagen von siliziumbasierten Akkumulatoren.
Dieses Problem macht den Einsatz des Siliziums unmöglich, obwohl es das beste Material in Bezug auf die Energiedichte in modernen Lithium-Ionen-Batterien ist.
TUBALL™ Graphen-Nanoröhren (oder einwandige Kohlenstoffnanoröhre) lösen das grundlegende bzw. Schlüsselproblem der Silizium-Anoden. Aufgrund ihrer unübertroffenen elektrischen Leitfähigkeit, hrer hohen Festigkeit, Flexibilität, Rekordverhältnis von Länge zum Durchmesser und der Fähigkeit, dreidimensionale Netze im Werkstoffgefüge bei ultraniedrigen Dosierungen aufzubauen, bedecken TUBALL™ Graphen Nanoröhren, wenn sie in eine Anode auf Siliziumbasis eingebracht werden, die Oberfläche von Siliziumpartikeln und schaffen hochleitende und starke Bindungen zwischen ihnen.
Diese Verbindungen sind so dicht, lang, leitfähig und fest, dass die Graphen-Nanoröhre die Partikeln der Silizium-Anode festhalten, selbst wenn diese expandieren und anfangen Risse zu bilden bilden. Dies schützt die Anode vor vorzeitigem Ausfall – die Nanoröhren verlängern die Lebensdauer der Anode auf ein Niveau, das ausreicht, um die strengen Anforderungen der Hersteller von Elektrofahrzeugen zu erfüllen.
Aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit, Flexibilität und ihres Rekordverhältnisses von Länge zu Durchmesser bedecken selbst wenige Graphen-Nanoröhren die Elektrodenoberfläche vollständig.
Wie funktionieren die Nanoröhren innerhalb einer Elektrode? (eng)
Electric car rEVolution: why graphene nanotubes will be inside next-gen batteries
TUBALL™ bleibt derzeit die einzige wirksame Lösung für das Problem der Silizium-Anoden.
Die Netzwerke der TUBALL™ Graphen Nanoröhren im Anodengefüge lösen das Problem der Silizium-Anoden und erhöhen erheblich deren Lebensdauer – bis um das 4-fache. Nur TUBALL™ ermöglicht es, die Batterien mit hohem Silizium-Gehalt herzustellen, deren Lebensdauer den strikten Anforderungen der Elektro-Auto/Elektronik-Industrie entspricht.
Die Verwendung von TUBALL™ in energiereichen Silizium-Anoden wird zum Industriestandard.
Die führenden Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien haben nachgewiesen, dass heutzutage mithilfe von TUBALL™ Nanoröhren die Herstellung von Anoden mit 20%-em SiO-Gehalt, Kapazität 600 mAh und Lebensdauer von 1.500 Zyklen möglich ist.
Durch die Verwendung von Anoden mit einem so hohen Siliziumgehalt in den Rezepturen von Batterien kann bereits heute die Rekordenergiedichte von 300 Wh/kg und 800 Wh/l erreicht werden.
Die vom R&D-Team von OCSiAl bereits erzielten Ergebnisse haben bewiesen, dass es möglich ist, den SiO-Gehalt in der Anode auf 90% zu erhöhen, was zu einer Energiedichte von 350 Wh/kg und 1350 Wh/l führen wird.
TUBALL™ BATT – einsatzbereites Produkt für Anoden.
TUBALL™ BATT H2O ist die erste einsatzbereite Lösung auf Basis TUBALL™ Nanoröhren, welche das Hauptproblem der Si/C-Anoden löst. TUBALL™ Graphen Nanoröhren bieten bereits bei einer Konzentration von 0,05 % bisher unerreichte elektrische Leitfähigkeit für Si/C-Anoden. Bei Hinzufügung zu den Si/C-Anoden überziehen die ultradünnen und stabilen Graphen-Nanoröhre in TUBALL™ BATT H2O vollständig die Partikeln der Si/C-Anode und verbinden diese elektrisch während der Auf- und Entladung der Batterie, Selbst unter den für Elektrofahrzeuge typischen intensivsten Zyklenbedingungen.
Weitere Informationen über TUBALL™ BATT finden Sie auf der Produktkarte unten oder kontaktieren Sie uns.
Wie funktionieren die Nanoröhren innerhalb einer Elektrode? (eng)
Batterien auf SWCNT-Basis: Gegenwart und Zukunft (Andrey Senyjt, OCSiAl Energy) (eng)
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The pitch-derived soft carbon and SWCNTs provided an excellent conductivity, and the porous structure of the composite accommodated the stress produced by the Si expansion.
The all‐nanomat full cell shows exceptional improvement in battery energy density – 479 Wh/kg battery, and Si-anode capacity – 1166 mAh/g.
High thickness and specific capacity leads to areal capacities of up to 45 and 30 mAh cm−2 for anodes and cathodes, respectively. Combining optimized composite anodes and cathodes yields full cells with state-of-the-art areal capacities (29 mAh cm−2) and specific/volumetric energies (480 Wh kg−1 and 1,600 Wh l−1).
Areal capacities greater than 10 mAh/cm2 and volumetric capacities greater than 1400 mAh/cm3 can be achieved.
The use of SWCNT conductive additive enables graphite-free SiO electrodes with 74% higher volumetric energy and superior full-cell cycling compared to graphite electrodes.
The best results overall are obtained with 0.5%wt SWCNT added to the active powder, which produced 800mAh/g after 250 cycles.
