Gummimaterial ist der Schlüssel zu langlebigen, sichereren Batterien für Elektrofahrzeuge

Um flüssige Elektrolyte zu ersetzen, kombinieren Forscher Gummimaterial mit innovativer 3D-Struktur

18.01.2022 - USA

Damit sich Elektrofahrzeuge (electric vehicles, EVs) durchsetzen können, brauchen sie kostengünstige, sichere und langlebige Batterien, die während der Nutzung nicht explodieren oder die Umwelt schädigen. Forscher am Georgia Institute of Technology haben möglicherweise eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien gefunden, die aus einem weit verbreiteten Material besteht: Gummi.

Elastomere oder synthetische Kautschuke werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften häufig in Konsumgütern und fortschrittlichen Technologien wie tragbarer Elektronik und weicher Robotik eingesetzt. Die Forscher fanden heraus, dass das Material, wenn es zu einer 3D-Struktur formuliert wird, als Superautobahn für den schnellen Transport von Lithium-Ionen mit überlegener mechanischer Festigkeit fungiert, was zu länger aufladbaren Batterien führt, die eine größere Reichweite haben. Die in Zusammenarbeit mit dem Korea Advanced Institute of Science and Technology durchgeführten Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift Natureveröffentlicht .

In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien werden die Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten bewegt. Die Batterie ist jedoch von Natur aus instabil: Schon bei der kleinsten Beschädigung kann der Elektrolyt auslaufen und zu einer Explosion oder einem Brand führen. Die Sicherheitsprobleme haben die Industrie gezwungen, sich mit Festkörperbatterien zu befassen, die aus anorganischem Keramikmaterial oder organischen Polymeren hergestellt werden können.

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"Der Großteil der Industrie konzentriert sich auf die Entwicklung anorganischer Festkörperelektrolyte. Diese sind jedoch schwer herzustellen, teuer und nicht umweltfreundlich", so Seung Woo Lee, außerordentlicher Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, der zu einem Forscherteam gehört, das ein organisches Polymer auf Kautschukbasis entdeckt hat, das anderen Materialien überlegen ist. Feste Polymerelektrolyte stoßen aufgrund ihrer niedrigen Herstellungskosten, ihrer Ungiftigkeit und ihres weichen Charakters weiterhin auf großes Interesse. Herkömmliche Polymerelektrolyte haben jedoch keine ausreichende Ionenleitfähigkeit und mechanische Stabilität für einen zuverlässigen Betrieb von Festkörperbatterien.

Neuartiges 3D-Design führt zu einem Sprung in Energiedichte und Leistung

Die Ingenieure der Georgia Tech haben mit den Kautschukelektrolyten die üblichen Probleme (langsamer Lithium-Ionen-Transport und schlechte mechanische Eigenschaften) gelöst. Der entscheidende Durchbruch bestand darin, dass das Material eine dreidimensionale (3D), miteinander verbundene Kunststoffkristallphase innerhalb der robusten Gummimatrix bilden konnte. Diese einzigartige Struktur hat zu einer hohen Ionenleitfähigkeit, hervorragenden mechanischen Eigenschaften und elektrochemischer Stabilität geführt.

Dieser Kautschukelektrolyt kann durch ein einfaches Polymerisationsverfahren bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden, wodurch robuste und glatte Grenzflächen an der Oberfläche der Elektroden entstehen. Diese einzigartigen Eigenschaften des Kautschukelektrolyten verhindern das Wachstum von Lithium-Dendriten und ermöglichen eine schnellere Bewegung der Ionen, was einen zuverlässigen Betrieb von Festkörperbatterien auch bei Raumtemperatur ermöglicht.

"Kautschuk wird wegen seiner hohen mechanischen Eigenschaften überall eingesetzt, und er wird es uns ermöglichen, billige, zuverlässigere und sicherere Batterien herzustellen", so Lee.

"Höhere Ionenleitfähigkeit bedeutet, dass man mehr Ionen gleichzeitig bewegen kann", sagte Michael Lee, ein Doktorand im Bereich Maschinenbau. "Indem man die spezifische Energie und die Energiedichte dieser Batterien erhöht, kann man die Laufleistung des Fahrzeugs steigern.

Die Forscher suchen nun nach Möglichkeiten, die Leistung der Batterie zu verbessern, indem sie die Zykluszeit erhöhen und die Ladezeit durch eine noch bessere Ionenleitfähigkeit verkürzen. Bislang konnten sie die Leistung bzw. die Zykluszeit der Batterie um das Zweifache verbessern.

Die Arbeit könnte den Ruf Georgiens als Zentrum für EV-Innovationen stärken. SK Innovation, ein weltweit tätiges Energie- und Petrochemieunternehmen, finanziert weitere Forschungsarbeiten an dem Elektrolytmaterial im Rahmen seiner laufenden Zusammenarbeit mit dem Institut, um Festkörperbatterien der nächsten Generation zu entwickeln, die sicherer und energiedichter sind als herkömmliche LI-Ionen-Batterien. SK Innovation kündigte vor kurzem den Bau eines neuen Werks für Elektroautobatterien in Commerce, Georgia, an, in dem bis 2023 eine Jahresmenge an Lithium-Ionen-Batterien in Höhe von 21,5 Gigawattstunden produziert werden soll.

"All-Solid-State-Batterien können die Fahrleistung und Sicherheit von Elektrofahrzeugen drastisch erhöhen. Schnell wachsende Batterieunternehmen, darunter auch SK Innovation, sind davon überzeugt, dass die Kommerzialisierung von All-Solid-State-Batterien den Markt für Elektrofahrzeuge verändern wird", sagte Kyounghwan Choi, Leiter des Forschungszentrums für Batterien der nächsten Generation von SK Innovation. "Durch das laufende Projekt in Zusammenarbeit mit SK Innovation und Professor Seung Woo Lee von der Georgia Tech gibt es hohe Erwartungen für eine schnelle Anwendung und Kommerzialisierung von Festkörperbatterien."

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