Neuartige mehrphasige strukturelle Nanokomposit-Elektrolyte

Energiespeicherung spielt eine entscheidende Rolle in der heutigen modernen Gesellschaft, sowie in zahlreichen Technologie-Implementierungen. Mobile Endnutzergeräte (z.B. Laptops, Tables, Smartphones), Elektroautos und Alternativenergie-Umwandlung (Sonnenenergie, Wind- und Wasserkraft) benötigen Batterien/Akkumulatoren und andere Energie- Speicherungsformen. All diese Industrien haben eine hohe Nachfrage nach sichereren, leichteren und effizienteren Materialien für zukünftige Anwendungen. In der Forschung existieren viele verschiedene Ansätze, um aktuelle Technologien zu verbessern und neue Materialien für diese Zwecke zu entwickeln. Ein sehr vielversprechender Weg, ist das Design von Feststoffbatterien/-akkumulatoren, welche keine flüssigen Komponenten beinhalten, um das Auslaufen brennbarer, schädlicher Lösungsmittel zu verhindern. Gleichzeitig wird durch den Ersatz von flüssigen Elektrolyten durch feste Elektrolyte, die aus Polymeren hergestellt werden können, auch das Gewicht bedeutend reduziert. Bis heute bestehen jedoch noch viele ungelöste Probleme darin, Polymere zu finden, die bestimmte Anforderungen bezüglich ihrer Leitfähigkeit und mechanischen Stabilität erfüllen. Die Kombination von passenden Polymeren mit mikroskopisch kleinen Teilchen zu Komposit-Materialien, stellt ein enormes Potential dar, diese gewünschten Eigenschaften bereitzustellen. In diesem Projekt an der Columbia Universität sollen neuartige Nanokomposit-Materialien entwickelt werden, um hohe Standards für zukünftige Energiespeicherungs-Anwendungen zu erfüllen. Unter der Leitung von Dr. Gerald Singer und in Zusammenarbeit mit Prof. Yuan Yangs Arbeitsgruppe, fokussiert sich dieses zweijährige Projekt auf die spezielle Funktionalisierung und Ausrichtung von Nanostrukturen, um das Leistungsspektrum von Polymer-Elektrolyten zu verbessern. Neue Einblicke auf diesem Gebiet werden weiterführende Forschungsarbeiten unterstützen und Zukunftsperspektiven in der Entwicklung von Hochleistungsmaterialien zur Energiespeicherung eröffnen.

In diesem Projekt wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, um die Energiedichte und die mechanische Performance von multifunktionalen Kompositen, auch "Structural Batteries" genannt, zu verbessern. Der entwickelte Polymer-basierte Elektrolyt mit hoher Ionenleitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften konnte erfolgreich in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden und demonstrierte eine außergewöhnliche Langzeit-Stabilität mit modernen Kathodenmaterialien. Die in-situ Polymerisation kann bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden und ist mit gängigen Verfahren in der Batterieherstellung kompatibel, was den Prozess kosteneffizient und skalierbar macht. Diese Studie präsentiert vielversprechende Ergebnisse für die praktische Anwendung von Structural Batteries in der elektrischen Transportindustrie. Die Implementierung der entwickelten Technologie in Elektroautos könnte zu höherer Streckenreichweite, mehr Sicherheit und Gewichtsreduktion des Fahrzeugs führen.