Hochleistungs-Elektrolyt löst Batterie-Rätsel

23.04.2020 - USA

Lithium-Ionen-Batterien sind bereits zu einem integralen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Unsere energiehungrige Gesellschaft verlangt jedoch nach längerer Lebensdauer, schnellerem Aufladen und leichteren Batterien für eine Vielzahl von Anwendungen, von Elektrofahrzeugen bis hin zu tragbaren Elektronikgeräten, einschließlich der Erleichterung der Last, die ein Soldat trägt, da zahlreiche Elektronikgeräte von der Armee übernommen werden.

Können wir näher an solche leichteren und schneller aufladbaren Batterien herankommen? Die aktuelle Generation von Lithium-Ionen-Batterien verwendet Graphit als Anode, das eine relativ geringe Kapazität hat und durch eine Silizium-Anode mit hoher Kapazität und geringer Umweltbelastung ersetzt werden könnte. Dies ist eine vielversprechende Richtung für die Forschung - jedoch schwer fassbar, da Batterien mit Siliziumanoden mit einer großen Partikelgröße dazu neigen, eine kürzere Lebensdauer zu haben, im Allgemeinen weniger als 50 Zyklen. Als Forscher versuchten, Nanopartikel aus Silizium, Aluminium und Wismut zu verwenden, stellten sie fest, dass diese Legierungsanoden in Nanogrösse immer noch eine kurze Lebensdauer und hohe Kosten aufweisen. Chunsheng Wang und seine Kollegen haben möglicherweise eine neue Richtung zur Behebung dieses Abbauproblems gefunden: den Elektrolyten.

Das Team der University of Maryland und des Army Research Laboratory hat einen Elektrolyten hergestellt, der eine Schutzschicht auf Silizium bildet, die stabil ist und der Schwellung widersteht, die in Siliziumanodenpartikeln auftritt. Der neue Elektrolyt - rationell und mit den zugrundeliegenden Prinzipien entwickelt - gibt den Anodenpartikeln Raum für das Aufquellen des Siliziums in der Schutzschicht. Die Ergebnisse wurden am 20. April 2020 in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

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Dr. Ji Chen, einer der Hauptautoren der Arbeit vom Department of Chemical and Biomolecular Engineering der University of Maryland, sagte: "Unsere Forschung beweist, dass es praktisch und möglich ist, Silizium-, Aluminium- und Wismutpartikel als Lithium-Ionen-Batterieanoden stabil zu zyklisieren, einfach mit einem rational entworfenen Elektrolyten, was bisher als unerreichbar galt.

"Die Energiedichte der Batterie wird durch die Elektroden bestimmt, während die Leistung der Batterie kritisch durch die Elektrolyte gesteuert wird. Die entworfenen Elektrolyte ermöglichen die Verwendung von Legierungsanoden in Mikrogrösse, was die Energiedichte der Batterie deutlich erhöhen wird", sagte Dr. Xiulin Fan, eine Mit-Erstautorin der Universität von Maryland und jetzt Professorin an der Zhejiang Universität in China.

"Die derzeitigen Bemühungen durch die Kombination von molekularer Modellierung und experimenteller Forschung haben einen klaren Weg zu einer neuen Richtung für die rationelle Gestaltung der Elektrolyte eröffnet, die eine lange Zykluslebensdauer für Siliciumanoden mit hoher Kapazität ermöglichen, und damit den Weg zur Entwicklung von Hochenergiebatterien für einen Kampfflieger geebnet", sagte Dr. Oleg Borodin, ein Mitarbeiter des Forschungslabors der Armee.

Das derzeitige Elektrolytdesign für Siliciumanoden zielt darauf ab, eine einheitliche Polymerschicht zu bilden, die als Festkörperelektrolyt-Grenzfläche oder SEI bezeichnet wird, die flexibel ist und sich stark mit Silicium verbindet. Die starke Bindung zwischen Polymer-SEI und Silizium zwingt das SEI jedoch dazu, die gleiche Volumenänderung wie die Anodenpartikel zu haben, so dass sowohl die Partikel als auch das SEI während des Batteriebetriebs reißen.

"Nach umfangreichen Forschungsarbeiten über Siliziumelektroden hat die Batteriegemeinschaft einen Konsens darüber erzielt, dass die Siliziumanoden in Mikrogröße nicht in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden können", sagte Chunsheng Wang, Professor für chemische und biomolekulare Technik an der University of Maryland. "Wir haben die Beschädigung des SEI erfolgreich vermieden, indem wir einen keramischen SEI gebildet haben, der eine geringe Affinität zu den lithiierten Siliziumpartikeln hat, so dass sich das lithiierte Silizium bei Volumenänderungen an der Grenzfläche verschieben kann, ohne den SEI zu beschädigen. Das Elektrolyt-Konstruktionsprinzip ist universell für alle Legierungsanoden und eröffnet eine neue Möglichkeit zur Entwicklung von Hochenergiebatterien.

Für die Kommerzialisierung des Elektrolyten gibt es noch Herausforderungen, das Spannungsfenster von 4,2V müsse noch erweitert werden, sagte Wang.

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Originalveröffentlichung

"Electrolyte design for LiF-rich solid–electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries"; Nature Energy; April 20, 2020

https://www.chemie.de/news/1165972/hochleistungs-elektrolyt-loest-batterie-raetsel.html

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"Electrolyte design for LiF-rich solid–electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries"; Nature Energy; April 20, 2020

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