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Porocarb steigert Leistung von Lithium-Batterien

19.09.2013
Heraeus Innovation schlägt eine Brücke zwischen Hochenergie- und Hochleistungszellen

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 bringt.


01: Porocarb Entwicklerteam:
Porocarb-Entwickler von Heraeus Quarzglas: Jörg Becker (links) und Dr. Christian Neumann (rechts), das Porocarb-Entwicklungsteam der ersten Stunde, präsentieren ihre innovativen, porösen Kohlenstoffpulver. Quelle: Heraeus


02: Ionisches Leitadditiv in Elektrodenformulierungen
Porocarb steigert Leistung von Lithium-Batterien: Durch seine besondere Porengrößenverteilung kann mit Porocarb erstmals ein makroporöser Kohlenstoff in elektrochemischen Speichersystemen zur Verbesserung der ionischen Leitfähigkeit in Elektroden eingesetzt werden. Quelle: Heraeus

Entwickelt wurden die innovativen Kohlenstoffpartikel mit Poren zwischen 10 und 1000 Nanometer und Porenvolumen von bis zu 2,5 Kubikzentimeter pro Gramm 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 Nanometer. Dies ermöglicht neue Anwendungsgebiete“, sagt Neumann.

Durch seine besondere Porengrößenverteilung kann mit Porocarb 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.“

Effektivere Elektroden in Lithium-Batterien möglich

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.

Herstellungsverfahren setzt auf Quarzglas-Kompetenz

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.

Weitere Vorteile und Anwendungen der auf Quarzglas-Grundkompetenzen aufbauenden Materialklasse werden auf www.heraeus-porocarb.com vorgestellt (E-Mail: porocarb@heraeus.com).

Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges Familienunternehmen mit einer mehr als 160-jährigen Tradition. Unsere Kompetenzfelder umfassen die Bereiche Edelmetalle, Materialien und Technologien, Sensoren, Biomaterialien und Medizinprodukte, Quarzglas sowie Speziallichtquellen. Im Geschäftsjahr 2012 erzielte Heraeus einen Produktumsatz von 4,2 Mrd. € und einen Edelmetallhandelsumsatz von 16 Mrd. €. Mit weltweit rund 12.200 Mitarbeitern in mehr als 100 Gesellschaften hat Heraeus eine führende Position auf seinen globalen Absatzmärkten.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an:

Redaktion:
Dr. Jörg Wetterau
Konzernkommunikation
Leiter Technologiepresse & Innovation
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63450 Hanau
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Technischer Ansprechpartner:
Dr. Christian Neumann
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porocarb@heraeus.com

Dr. Jörg Wetterau | Heraeus Holding GmbH
Weitere Informationen:
http://www.heraeus.de
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