Eine Batterie für Elektrofahrzeuge - für jede Jahreszeit
Neuer Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien zeigt gute Leistungen in kalten Regionen und Jahreszeiten
Viele Besitzer von Elektrofahrzeugen machen sich Sorgen darüber, wie leistungsfähig ihre Batterie bei sehr kaltem Wetter sein wird. Jetzt könnte eine neue Batteriechemie dieses Problem gelöst haben.
Eine neue Zusammensetzung für einen fluorhaltigen Elektrolyten verspricht eine hohe Batterieladeleistung für künftige Elektrofahrzeuge auch bei Minustemperaturen (Symbolbild).
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Bei den derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien liegt das Hauptproblem im flüssigen Elektrolyt. Diese Schlüsselkomponente der Batterie überträgt ladungstragende Teilchen, so genannte Ionen, zwischen den beiden Elektroden der Batterie, wodurch die Batterie geladen und entladen wird. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt beginnt die Flüssigkeit jedoch zu gefrieren. Dieser Zustand schränkt die Effektivität des Aufladens von Elektrofahrzeugen in kalten Regionen und Jahreszeiten stark ein.
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Team von Wissenschaftlern der Argonne und Lawrence Berkeley National Laboratories des US-Energieministeriums (DOE) einen fluorhaltigen Elektrolyten entwickelt, der auch bei Minusgraden gut funktioniert.
"Unsere Forschung hat gezeigt, wie man die atomare Struktur von Elektrolyt-Lösungsmitteln anpassen kann, um neue Elektrolyte für Minustemperaturen zu entwickeln. - John Zhang, Leiter der Argonne-Gruppe
"Unser Team hat nicht nur einen Frostschutzelektrolyten gefunden, dessen Ladeleistung bei minus 4 Grad Celsius nicht nachlässt, sondern wir haben auch auf atomarer Ebene herausgefunden, was ihn so effektiv macht", sagte Zhengcheng "John" Zhang, ein leitender Chemiker und Gruppenleiter in der Abteilung für Chemische Wissenschaften und Technik von Argonne.
Dieser Niedrigtemperatur-Elektrolyt ist vielversprechend für Batterien in Elektrofahrzeugen sowie für die Energiespeicherung in Stromnetzen und Unterhaltungselektronik wie Computern und Telefonen.
In den heutigen Lithium-Ionen-Batterien ist der Elektrolyt eine Mischung aus einem weit verbreiteten Salz (Lithiumhexafluorophosphat) und Karbonat-Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat. Die Lösungsmittel lösen das Salz auf und bilden eine Flüssigkeit.
Wenn eine Batterie geladen wird, transportiert der flüssige Elektrolyt Lithiumionen von der Kathode (einem lithiumhaltigen Oxid) zur Anode (Graphit). Diese Ionen wandern aus der Kathode heraus und durchqueren dann den Elektrolyten auf dem Weg zur Anode. Während des Transports durch den Elektrolyten sitzen sie in der Mitte von Clustern aus vier oder fünf Lösungsmittelmolekülen.
Während der ersten paar Ladungen treffen diese Cluster auf die Anodenoberfläche und bilden eine Schutzschicht, die so genannte Festkörper-Elektrolyt-Interphase. Einmal gebildet, wirkt diese Schicht wie ein Filter. Sie lässt nur noch die Lithiumionen durch, während sie die Lösungsmittelmoleküle abblockt. Auf diese Weise ist die Anode in der Lage, Lithiumatome in der Struktur des Graphits zu speichern, wenn sie geladen wird. Bei der Entladung werden durch elektrochemische Reaktionen Elektronen aus dem Lithium freigesetzt, die Strom erzeugen, der Fahrzeuge antreiben kann.
Das Problem ist, dass bei kalten Temperaturen der Elektrolyt mit den Karbonatlösemitteln zu gefrieren beginnt. Infolgedessen verliert er die Fähigkeit, Lithiumionen beim Aufladen in die Anode zu transportieren. Das liegt daran, dass die Lithiumionen in den Lösungsmittelclustern so fest gebunden sind. Daher benötigen diese Ionen viel mehr Energie als bei Raumtemperatur, um ihre Cluster zu verlassen und die Grenzschicht zu durchdringen. Aus diesem Grund haben die Wissenschaftler nach einem besseren Lösungsmittel gesucht.
Das Team untersuchte mehrere fluorhaltige Lösungsmittel. Es gelang ihnen, die Zusammensetzung zu ermitteln, die die niedrigste Energiebarriere für die Freisetzung von Lithiumionen aus den Clustern bei Minustemperaturen aufwies. Sie bestimmten auch auf atomarer Ebene, warum diese spezielle Zusammensetzung so gut funktionierte. Es hing von der Position der Fluoratome in den einzelnen Lösungsmittelmolekülen und deren Anzahl ab.
Bei Tests mit Laborzellen behielt der fluorierte Elektrolyt des Teams eine stabile Energiespeicherkapazität für 400 Lade-/Entladezyklen bei minus 4 Grad Celsius. Selbst bei dieser Minustemperatur entsprach die Kapazität derjenigen einer Zelle mit einem herkömmlichen Elektrolyten auf Karbonatbasis bei Raumtemperatur.
"Unsere Forschung hat somit gezeigt, wie man die atomare Struktur von Elektrolyt-Lösungsmitteln maßschneidern kann, um neue Elektrolyte für Minustemperaturen zu entwickeln", so Zhang.
Der Gefrierschutz-Elektrolyt hat eine zusätzliche Eigenschaft. Er ist viel sicherer als die derzeit verwendeten Elektrolyte auf Karbonatbasis, da er sich nicht entzünden kann.
"Wir lassen unseren Niedrigtemperatur- und Sicherheitselektrolyten patentieren und suchen jetzt nach einem Industriepartner, der ihn an eines seiner Designs für Lithium-Ionen-Batterien anpasst", so Zhang.
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