Das Geheimnis längerer Batterielebensdauer könnte in der Funktionsweise von Seife liegen
Einer der vielversprechendsten Elektrolyte für die Entwicklung langlebiger Lithiumbatterien weist komplexe Nanostrukturen auf, die wie Mizellenstrukturen in geseiftem Wasser wirken
Wenn es darum geht, Batterien herzustellen, die länger halten, glaubt ein Forscherteam, zu dem auch Ingenieure der Brown University und des Idaho National Laboratory gehören, dass der Schlüssel darin liegen könnte, wie die Dinge sauber werden - insbesondere wie Seife in diesem Prozess funktioniert.
Nehmen wir zum Beispiel das Händewaschen. Wenn man sich die Hände mit Seife wäscht, bildet die Seife Strukturen, so genannte Mizellen, die Fett, Schmutz und Keime einfangen und entfernen, wenn sie mit Wasser abgespült werden. Die Seife fungiert dabei als Brücke zwischen dem Wasser und den zu reinigenden Stoffen, indem sie diese bindet und in diese Mizellenstrukturen einwickelt.
Bei der Durchführung einer neuen Studie, die in Nature Materials veröffentlicht wurde , stellten die Forscher fest, dass ein ähnlicher Prozess in einer der vielversprechendsten Substanzen für die Entwicklung langlebigerer Lithiumbatterien abläuft - einer neuen Art von Elektrolyt, dem so genannten lokalisierten hochkonzentrierten Elektrolyt. Das neue Verständnis der Funktionsweise dieses Prozesses könnte das fehlende Stück sein, um die Tür in diesem aufstrebenden Technologiesektor vollständig aufzustoßen.
"Im Großen und Ganzen wollen wir die Energiedichte von Batterien verbessern und erhöhen, d. h. wie viel Energie sie pro Zyklus speichern und wie viele Zyklen die Batterie hält", so Yue Qi, Professor an der Brown School of Engineering. "Um dies zu erreichen, müssen die Materialien in den herkömmlichen Batterien ausgetauscht werden, damit langlebige Batterien, die mehr Energie speichern, Realität werden - man denke an Batterien, die ein Telefon eine Woche oder länger mit Strom versorgen können, oder an Elektrofahrzeuge, die 500 Meilen weit fahren können."
Wissenschaftler haben aktiv an der Umstellung auf Batterien aus Lithiummetall gearbeitet, da diese eine viel höhere Energiespeicherkapazität haben als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Das Problem sind die herkömmlichen Elektrolyte, die eine elektrische Ladung zwischen den beiden Polen einer Batterie ermöglichen und so die elektrochemische Reaktion auslösen, die für die Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie erforderlich ist. Herkömmliche Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien, die im Wesentlichen aus Salz in niedriger Konzentration bestehen, das in einem flüssigen Lösungsmittel aufgelöst ist, können dies bei Batterien auf Metallbasis nicht leisten.
Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler des Idaho National Laboratory und des Pacific Northwest National Laboratory lokalisierte hochkonzentrierte Elektrolyte entwickelt. Sie werden hergestellt, indem hohe Salzkonzentrationen in einem Lösungsmittel mit einer anderen Flüssigkeit, einem so genannten Verdünnungsmittel, gemischt werden, wodurch der Elektrolyt besser fließt und die Leistung der Batterie aufrechterhalten werden kann.
Bislang hat diese neue Art von Elektrolyt in Labortests vielversprechende Ergebnisse gezeigt, aber die Funktionsweise und die Gründe dafür sind noch nicht vollständig geklärt, so dass die Wirksamkeit und die Möglichkeiten der Weiterentwicklung begrenzt sind. Die neue Studie trägt dazu bei, dieses Problem zu lösen.
"Die Studie liefert eine einheitliche Theorie, warum dieser Elektrolyt besser funktioniert, und der Schlüssel zum Verständnis liegt in der Erkenntnis, dass sich in diesem Elektrolyten mizellenartige Strukturen bilden - ähnlich wie bei Seife", sagte Bin Li, ein leitender Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory, der an der Studie mitarbeitete. "Hier sehen wir, dass die Rolle der Seife oder des Tensids von dem Lösungsmittel übernommen wird, das sowohl das Verdünnungsmittel als auch das Salz bindet und sich um das höher konzentrierte Salz im Zentrum der Mizelle wickelt."
Durch dieses Verständnis konnten die Forscher die Verhältnisse und Konzentrationen aufschlüsseln, die erforderlich sind, um die optimalen Reaktionen für die Batterien zu erreichen. Dies dürfte dazu beitragen, eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung dieses Elektrolyten zu lösen, nämlich das richtige Gleichgewicht zwischen den drei Bestandteilen zu finden. Die Arbeit liefert nicht nur bessere Richtlinien für die Herstellung von lokalisierten hochkonzentrierten Elektrolyten, die funktionieren, sondern auch für die Herstellung von Elektrolyten, die noch effektiver arbeiten.
Die Forscher des Idaho National Laboratory setzten die Theorie in die Tat um. Dabei stellten sie fest, dass die Theorie bis jetzt Bestand hat und dazu beiträgt, die Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien zu verlängern. Das Team ist gespannt, welche Entwürfe für lokalisierte hochkonzentrierte Elektrolyte aus ihrer Arbeit hervorgehen werden, weiß aber, dass noch erhebliche Fortschritte nötig sind, um den Engpass bei der Entwicklung von Elektrolyten für Batterien mit hoher Dichte zu überwinden. Im Moment amüsieren sie sich darüber, dass das Geheimnis vielleicht in etwas so Banalem und Alltäglichem wie Seife liegt.
"Das Konzept der Mizellen mag für Elektrolyte neu sein, aber es ist in unserem täglichen Leben sehr verbreitet", so Qi. "Jetzt haben wir eine Theorie und wir haben Richtlinien, um die gewünschten Wechselwirkungen zwischen Salz, Lösungsmittel und Verdünnungsmittel im Elektrolyten zu erhalten, und in welcher Konzentration sie vorliegen müssen und wie man sie mischt".
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Originalveröffentlichung
Corey M. Efaw, Qisheng Wu, Ningshengjie Gao, Yugang Zhang, Haoyu Zhu, Kevin Gering, Michael F. Hurley, Hui Xiong, Enyuan Hu, Xia Cao, Wu Xu, Ji-Guang Zhang, Eric J. Dufek, Jie Xiao, Xiao-Qing Yang, Jun Liu, Yue Qi, Bin Li; "Localized high-concentration electrolytes get more localized through micelle-like structures"; Nature Materials, 2023-11-6
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