LAMBDA DOSER und die Lithium-Ionen-Batterie (LIB): Dosierung von Silizium – Ferrocen - Pulver als Präkursor für neues Anodenmaterial

Die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) ist aufgrund ihrer beachtlichen Energiedichte und erhöhten Zellspannungen in einer Vielzahl von Anwendungen äusserst gefragt; dazu zählen die Lithium-Ionen-Akkus als Energiespeicher in der Luft- und Raumfahrt, in tragbaren Elektronikgeräten sowie die Verwendung als leistungsstarke Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge zur aktuellen Förderung der E-Mobilität.

Kommerzielle Lithium Ionen-Batterien verwenden aufgrund der Langlebigkeit, guten Verfügbarkeit und vergleichbar hoher Kosteneffizienz typischerweise Graphit für die Anode. Allerdings reicht für den hohen Energiebedarf die spezifische Kapazität von Graphit als Anodenmaterial nicht mehr aus.

Silizium mit seiner etwa zehnfach höheren theoretischen Kapazität als jene von Graphit ist deshalb eine vielversprechende Alternative. Um die Kapazitätsprobleme basierend auf erheblichen Volumenänderungen während der Lithium-Interkalation/-Deinterkalation zu lösen, entwickelte das Forschungsteam Ziyao Jie et al. der Tsinghua Universität jüngst eine Methode, die Silizium-Nanopartikel in leitfähige Schichten wie Graphen einzubetten:

Graphen@Fe-Si-Nanopartikel als neues Anodenmaterial in der Plasmaanlage hergestellt

Die Graphen@Fe-Si-Nanopartikel, die als neues Anodenmaterial für die Lithium-Ionen-Batterie dienen, werden in der Plasmaanlage hergestellt: Für den skalierbaren und ultraschnellen einstufigen Prozess zur Synthese von Graphen@Fe-Si-Nanopartikeln in der Plasmaanlage unter Normaldruckbedingungen verwenden die Forscher das SWS (Surface-Wave-Sustained) Plasma, das heisst, ein bei Atmosphärendruck mit Oberflächenwellen aufrechterhaltenes Plasma.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Anlage für den kontrollierten einstufigen Herstellungsprozess von siliziumbasierten Kern-Schale-Nanopartikeln (Graphen@Fe-Si-Nanopartikel): SWS-Plasmagenerator, Reaktionskammer, Massendurchflussregler (für N2), LAMDBA DOSER für die kontinuierliche Dosierung des pulverförmigen Präkursors (Ferrocen- und Siliziumpulver) und Kühlung. Referenz: Jie, Z., Zhang, Z., Bai, X., Ma, W., Zhao, X., Chen, Q., & Zhang, G. (2023). Surface-wave-sustained plasma synthesis of graphene@Fe–Si nanoparticles for lithium-ion battery anodes. In Applied Physics Letters (Vol. 123, Issue 11). AIP Publishing. doi.org/10.1063/5.0159269.

Dosierung des pulverförmigen Präkursors in der Plasmaanlage

Als Präkursor dient ein Gemisch aus Ferrocen- und Siliziumpulver, dessen kontrollierte kontinuierliche Dosierung in der Plasmaanlage mit einer LAMBDA DOSER 0.2L Dosiereinheit kontrolliert wird.

Worauf ist bei der Feststoffdosierung in der Plasmaanlage zu achten?

Um mithilfe von SWS-Plasma (surface-wave-sustained Plasma) eine gleichmässige Beschichtung der Oberfläche von Fe-Si-Verbundnanopartikeln mit Graphen sicherzustellen, ist die exakte Dosierung des Präkursormaterials von entscheidender Bedeutung.

Für die präzise Dosierung des pulverförmigen Präkursors integrieren die Forscher deshalb eine automatische Dosiereinheit in die Versuchsanlage: LAMBDA DOSER speist das Präkursorpulver gleichmässig mit einem konstanten Durchsatz von 1 g/min in die kontrollierte Umgebung der Plasmareaktionszone ein.

Welche einzigartigen Vorteile bietet die LAMBDA DOSER / Hi-DOSER Dosiereinheit für pulverförmige Präkursoren in der Prozessentwicklung?

Die LAMBDA DOSER / Hi-DOSER Pulverdosiereinheit für pulverförmige Präkursoren bietet einzigartige Vorteile dank der Genauigkeit ihrer Elektronik, Handlichkeit und einem Standardanschluss für Laborapparturen:

• Die quarzgesteuerte Elektronik der LAMBDA DOSER / Hi-DOSER Dosiereinheit steuert den Motor der Antriebseinheit zuverlässig und genau, ähnlich wie bei elektronischen Uhren. Im Gegensatz zu anderen Systemen verhindert die offene Spiralkonstruktion des Pulververteilers Verdichtungen und Verstopfungen und sorgt so für eine kontinuierliche Dosierung des freifliessenden Präkursors.
• Der Pulverdurchsatz wird nicht nur direkt am Gerät oder ferngesteuert durch die Drehzahl vorgelegt, auch der gesamte Durchsatzbereich eines Präkursors kann durch den optionalen Austausch des Pulververteilers angepasst werden.
• Für den idealen Einbau in die Plasmaanlage bieten LAMBDA DOSER / Hi-DOSER Dosiereinheiten den Auslass mit Normschliff, siehe www.pulver-dosierer.de/faq/anschluss/.

Weitere Einzelheiten zu den Dosiereinheiten für pulverförmige Präkursoren finden Sie auf www.lambda-instruments.com/de/pulverdosierer/ .

Verifizierung der synthetisierten Nanopartikel

Mithilfe einer Reihe analytischer Techniken führt das Forschungsteam Ziyao Jie et al. die Verifizierung der synthetisierten Nanopartikel durch, die eine Graphenumhüllung und in Eisen eingekapselte Siliziumnanopartikel umfasst:

• Energiedispersive Röntgenspektroskopiekartierung,
• Linienscanning im Transmissionselektronenmikroskopiemodus,
• hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie.

Um die Identität der Ummantelung als Graphen zu bestätigen:

• Raman-Spektroskopie (de.wikipedia.org/wiki/Raman-Spektroskopie)

Schlussfolgerung für die Lithium-Ionen-Batterien

Die Studie doi.org/10.1063/5.0159269 von Ziyao Jie et al. der Tsinghua Universität stellt eine praktikable Strategie für die Produktion von Anodenmaterialien im industriellen Massstab vor, die darauf abzielt, die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) zu verbessern.