Forscher unter der Leitung von Yan Wang vom WPI entwickeln Lösungsmittel

Ein Team unter der Leitung des Forschers Yan Wang vom Worcester Polytechnic Institute (WPI) hat ein lösungsmittelfreies Verfahren zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterieelektroden entwickelt, die umweltfreundlicher und billiger sind und sich schneller aufladen als derzeit auf dem Markt erhältliche Elektroden – ein Fortschritt, der die Herstellung verbessern könnte von Batterien für Elektrofahrzeuge.

In der Fachzeitschrift Joule berichtete die Gruppe über einen Trockendruck-Herstellungsprozess, der die giftigen Lösungsmittel und die langen Trocknungszeiten vermeidet, die bei der Herstellung von Elektroden mit Aufschlämmungen und herkömmlichen Produktionsmethoden erforderlich sind. Wang, William B. Smith Dekanatsprofessor am WPI in der Abteilung für Maschinenbau und Werkstofftechnik, sagte, das neue Verfahren könne skaliert werden und die Kosten für die Elektrodenherstellung um bis zu 15 Prozent senken, während gleichzeitig Elektroden hergestellt werden könnten, die sich schneller als herkömmliche Verfahren aufladen lassen Elektroden hergestellt.

„Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien laden sich zu langsam auf und Hersteller verwenden typischerweise brennbare, giftige und teure Lösungsmittel, die die Produktionszeit und -kosten erhöhen“, sagte Wang. „Unser lösungsmittelfreier Herstellungsprozess beseitigt diese Nachteile, indem er Elektroden herstellt, die in 20 Minuten auf 78 Prozent ihrer Kapazität aufgeladen werden, und das alles ohne die Notwendigkeit von Lösungsmitteln, Aufschlämmungen und langen Produktionszeiten.“

Kommerzielle Lithium-Ionen-Batterieelektroden werden typischerweise durch Mischen von aktiven Materialien, leitfähigen Zusatzstoffen, Polymeren und organischen Lösungsmitteln hergestellt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen, die auf ein Metallsubstrat geklebt, in einem Ofen getrocknet und zur Verwendung in Batterien in Stücke geschnitten wird. Die Lösungsmittel werden durch Destillation zurückgewonnen.

Im Gegensatz dazu bestand das Verfahren der Forscher darin, trockene Pulver miteinander zu vermischen, die elektrisch geladen waren, sodass sie beim Aufsprühen auf ein Metallsubstrat haften blieben. Anschließend wurden die trockenbeschichteten Elektroden erhitzt und mit Walzen verdichtet. Durch den Wegfall des herkömmlichen Trocknungs- und Lösungsmittelrückgewinnungsprozesses konnte der Energieverbrauch bei der Batterieherstellung um schätzungsweise 47 Prozent gesenkt werden, berichteten die Forscher.

Wang konzentriert sich seit langem auf die Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien und die Reduzierung des dabei entstehenden Abfalls. Er war Mitbegründer von Ascend Elements, einem Unternehmen, das Technologien zum Batterierecycling entwickelt. Wangs Elektrodenherstellungsarbeit wurde vom Energieministerium zusammen mit dem United States Advanced Battery Consortium LLC und dem Massachusetts Clean Energy Center finanziert. Zu den Mitarbeitern des Projekts gehörten Yangtao Liu '22 (PhD), Doktorand Jinzhao Fu, Assistenzprofessor Xiaotu Ma, Panawan Vanaphuti '22 (PhD) und Rui Wang '23 (PhD), alle vom WPI; und Forscher an der Texas A&M University, der Rice University, Microvast Inc., dem Argonne National Laboratory und dem Brookhaven National Laboratory.

WPI hat eine Patentanmeldung für die von Wangs Team entwickelte Fertigungstechnologie eingereicht. Darüber hinaus gründeten Wang und einer seiner Mitarbeiter, Heng Pan von der Texas A&M University, AM Batteries Inc., ein risikokapitalfinanziertes Unternehmen, das mit Amperex Technology Limited (ATL) und anderen Unternehmen an der Verbreitung lösungsmittelfreier Elektroden arbeitet Herstellung.

Das Worcester Polytechnic Institute wird ein Team aus Industrie- und Universitätsforschern in einem 2,4-Millionen-Dollar-Projekt zur Herstellung billigerer, schneller aufladbarer Lithium-Ionen-Autobatterien leiten.

Yan Wang, ein weltweit anerkannter Materialforscher, ist einer von 83 der „weltweit besten aufstrebenden akademischen Erfinder“, die in die Klasse 2022 der National Academy of Inventors gewählt wurden.

Das Worcester Polytechnic Institute (WPI) wird seine Arbeit zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ausweiten und ein Team aus akademischen und industriellen Mitarbeitern in einem 2-Millionen-Dollar-Projekt leiten, um die Kosten zu senken und die Leistung recycelter Batteriematerialien zu verbessern.

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