Solide

Aug 02, 2023

Just_Super/iStock

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Forschern der Universität Bayreuth ist gemeinsam mit Partnern aus China ein bedeutender Durchbruch in der Batterietechnologie gelungen. Mithilfe eines innovativen Additivs auf Nitratbasis ist es ihnen gelungen, eine neue Festkörper-Lithium-Metall-Batterie zu entwickeln, die sowohl stabil als auch potenziell langlebig ist. Das Forschungsteam betont, dass dies die Bedeutung des molekularen Designs für die Schaffung effektiver Additive für Quasi-Festkörperelektrolyte unterstreicht.

Professor Dr. Francesco Ciucci, Lehrstuhlinhaber für Elektrodendesign für elektrochemische Energiesysteme an der Universität Bayreuth, arbeitete mit Forschungspartnern aus China zusammen, um Inkompatibilitätsprobleme zwischen Lithiumnitrat und 1,3-Dioxolan (DOL) in quasi-festen Batterieelektrolyten durch die Integration von a zu lösen neuartiger Zusatzstoff auf Nitratbasis. Dies ist eine bedeutende Entwicklung, da solche Inkompatibilitätsprobleme in der Vergangenheit die Herstellung oder Skalierung solcher Batterien für die Produktion sehr schwierig machten.

Die Entdeckung des Teams ermöglicht nun die Entwicklung von Festkörper-Lithium-Metall-Batterien, die äußerst sicher, langlebig und einfach herzustellen sind und gleichzeitig die Herstellungsmethoden herkömmlicher Flüssigbatterien beibehalten.

In ihren Experimenten versuchten sie, verschiedene Versionen dieser Batterien herzustellen und stellten fest, dass ein bestimmter Typ, die Lithium-Schwefel-Zelle (Li-S), besonders gut abschnitt. Li-S-Batterien haben das Potenzial für eine sehr hohe Energiedichte. Das bedeutet, dass sie im Verhältnis zu ihrem Gewicht viel Energie speichern können, was besonders für Anwendungen wie die Luftfahrt oder Elektrofahrzeuge wertvoll ist, bei denen es auf das Gewicht ankommt. Abgesehen von der hohen Energiedichte ist Schwefel reichlich vorhanden und günstig, was Li-S-Batterien im Vergleich zu anderen Batterietechnologien kostengünstiger machen könnte, wenn die technischen Herausforderungen angegangen werden.

Prof. Dr. Francesco Ciucci et al., 2023.

Doch bisher litten Li-S-Zellen unter einer schlechten Zyklenlebensdauer und Stabilität.

„Die Festkörperbeschaffenheit der Batterien gewährleistet ein hohes Maß an Sicherheit bei gleichzeitig unkomplizierter Herstellung“, erklärte Prof. Ciucci. „Wir haben die Universalität des Ansatzes durch die Entwicklung verschiedener Arten von Lithium-Metall-Batterien demonstriert. Insbesondere weist die hergestellte Pouch-Li-S-Zelle eine überlegene Leistung im Vergleich zu zuvor dokumentierten Pouch-Li-S-Zellen auf“, fügte er hinzu.

Professor Ciucci und sein Forschungsteam stellten einen neuen Zusatzstoff vor, Triethylenglykoldinitrat, der speziell dafür entwickelt wurde, die Polymerisation von DOL zu ermöglichen. Das Forschungsteam zeigte, dass die gleichzeitige Bildung einer stickstoffreichen Festelektrolyt-Interphasenschicht, die mit der Polymerisation einhergeht, schädliche parasitäre Reaktionen unterdrückt und die Effizienz der Batterie erhöht.

Basierend auf den Studienergebnissen wurden mehrere Batteriezellen entwickelt. Unter ihnen könnten Knopfzellen im Labormaßstab mehr als 2.000 Mal geladen und entladen werden. Außerdem wurde eine 1,7-Ah-Li-S-Pouchzelle mit einer hohen Energiedichte von 304 Wh kg-1 und stabilen Zyklen hergestellt.

Diese Entdeckung ist ein großer Fortschritt in der Batterietechnologie. Es zeigt, wie wichtig es ist, Moleküle richtig zu entwerfen, um bessere Batterien herzustellen. „Diese Studie unterstreicht die Bedeutung des molekularen Strukturdesigns bei der Schaffung wirksamer Additive für Quasi-Festkörperelektrolyte. Sie stellt einen bedeutenden Fortschritt in der praktischen Durchführbarkeit der Verwendung von Quasi-Festkörperelektrolyten auf Poly-DOL-Basis in Lithium-Metall-Batterien dar.“ erklärte Prof. Ciucci.

Sie können sich die Studie selbst in der Zeitschrift Energy & Environmental Science ansehen.

Studienzusammenfassung:

Die In-situ-Polymerisation von Quasi-Festkörperelektrolyten (QSSEs) entwickelt sich zu einem vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung skalierbarer, sicherer und leistungsstarker Quasi-Festkörper-Lithium-Metall-Batterien. In diesem Zusammenhang sind Elektrolyte auf Poly-DOL-Basis aufgrund ihres breiten elektrochemischen Fensters und ihrer starken Kompatibilität mit Lithiummetall besonders attraktiv. Um die Stabilität von Lithiummetall zu verbessern, wird häufig LiNO3 zugesetzt, da es eine wirksame Li3N-reiche Festelektrolyt-Interphase auf der Oberfläche der Lithiummetallanode erzeugt. Allerdings verhindert LiNO3 die ringöffnende Polymerisation von DOL, wodurch die beiden Verbindungen inkompatibel werden. Um dieses Problem anzugehen, entwickelt diese Arbeit Triethylenglykoldinitrat (TEGDN), ein neuartiges Additiv auf Nitratbasis, das LiNO3 ersetzen soll. Wie LiNO3 bildet TEGDN eine dichte, stickstoffreiche Festelektrolyt-Interphase auf der Oberfläche von Lithium und schützt sie so vor parasitären Reaktionen. Im Gegensatz zu LiNO3 stört TEGDN jedoch nicht die Polymerisation von DOL, was die Herstellung eines hochwirksamen Elektrolyten ermöglicht, der eine Ionenleitfähigkeit von 2,87 mS cm−1 und ein Oxidationsstabilitätspotential von 4,28 V bei Raumtemperatur liefert. Um die Realisierbarkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren, wird eine Li|LiFePO4-Knopfzelle hergestellt, die mehr als 2000 Mal bei 1 °C stabil zyklisiert. Darüber hinaus wird eine 1,7-Ah-Lithium-Schwefel-Zelle im Pouch-Typ mit einer anfänglichen spezifischen Energie von 304 Wh kg−1 und einer Kapazitätserhaltung von 79,9 % nach 50 Zyklen hergestellt. Kurz gesagt, die vorliegende Studie schlug ein neues Additiv vor, um die Inkompatibilität von Poly-DOL und LiNO3 zu beseitigen und erstmals in situ polymerisierte Quasi-Festkörperbatterien zu entwickeln, die durch die Bildung einer N-reichen Festelektrolyt-Interphase eine bemerkenswerte Kapazität und Stabilität aufweisen.