Neuartige Chemie in Batterien mit ultrahoher Leistungsdichte

Weitere Optimierung des Batteriedesigns mit dem Potenzial, die Elektrifizierung des Verkehrs zu verändern

13.02.2023 - USA

Mohammad Asadi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen am Illinois Institute of Technology, hat in der Fachzeitschrift Science einen Artikel veröffentlicht, in dem er die Chemie hinter seinem neuartigen Lithium-Luft-Batteriekonzept beschreibt. Die Erkenntnisse werden es ihm ermöglichen, das Batteriedesign weiter zu optimieren, um ultrahohe Leistungsdichten zu erreichen, die weit über die der derzeitigen Lithium-Ionen-Technologie hinausgehen.

Das Batteriedesign hat das Potenzial, eine Kilowattstunde pro Kilogramm oder mehr zu speichern - viermal mehr als die Lithium-Ionen-Batterietechnologie, was für die Elektrifizierung des Verkehrs, insbesondere von Schwerlastfahrzeugen wie Flugzeugen, Zügen und U-Booten, von großer Bedeutung wäre.

Asadi wollte eine Batterie mit einem festen Elektrolyten herstellen, der im Vergleich zu Batterien mit flüssigen Elektrolyten Sicherheits- und Energievorteile bietet, und suchte nach einer Option, die mit den Kathoden- und Anodentechnologien kompatibel ist, die er für den Einsatz in Lithium-Luft-Batterien entwickelt hat. Er entschied sich für eine Mischung aus Polymer und Keramik, den beiden gebräuchlichsten Festelektrolyten, die jedoch beide ihre Nachteile haben. Durch die Kombination dieser beiden Elektrolyte konnte Asadi die hohe Ionenleitfähigkeit der Keramik sowie die hohe Stabilität und die gute Grenzflächenverbindung des Polymers ausnutzen.

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Das Ergebnis ermöglicht es, dass die kritische reversible Reaktion, die das Funktionieren der Batterie ermöglicht - die Bildung und Zersetzung von Lithiumdioxid - bei Raumtemperatur mit hohen Raten abläuft, was zum ersten Mal in einer Lithium-Luft-Batterie nachgewiesen wurde.

Wie in dem Science-Artikel beschrieben, hat Asadi eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die die wissenschaftlichen Grundlagen dieser Reaktion aufzeigen.

"Wir haben festgestellt, dass der Festkörperelektrolyt etwa 75 Prozent der gesamten Energiedichte beiträgt. Das zeigt uns, dass es noch viel Raum für Verbesserungen gibt, denn wir glauben, dass wir diese Dicke minimieren können, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, und das würde es uns ermöglichen, eine sehr, sehr hohe Energiedichte zu erreichen", sagt Asadi.

Diese Experimente wurden in Zusammenarbeit mit der University of Illinois Chicago und dem Argonne National Laboratory durchgeführt. Asadi sagt, dass er plant, mit Partnern aus der Industrie zusammenzuarbeiten, um das Batteriedesign zu optimieren und es für die Herstellung zu entwickeln.

"Die Technologie ist ein Durchbruch und hat ein großes Fenster der Möglichkeiten eröffnet, um diese Technologien auf den Markt zu bringen", so Asadi.

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