Was uns Wärme über die Batteriechemie sagen kann
Nutzung des Peltier-Effekts zur Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterien
Batterien werden in der Regel anhand elektrischer Eigenschaften wie Spannung und Stromstärke untersucht, aber neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Beobachtung des Wärmeflusses in Verbindung mit Elektrizität wichtige Einblicke in die Batteriechemie geben kann.
Die Forscher untersuchten, wie elektrischer Strom Wärmeströme in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle erzeugt. Die Wärme floss entgegengesetzt zum elektrischen Strom, was zu einer höheren Temperatur auf der Seite führte, auf der der Strom in die Zelle floss.
The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign
Ein Forscherteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat gezeigt, wie man die chemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batteriezellen untersuchen kann, indem man sich den Peltier-Effekt zunutze macht, bei dem elektrischer Strom ein System zum Erhitzen bringt. Wie in der Fachzeitschrift Physical Chemistry Chemical Physics berichtet, konnten sie mit dieser Technik experimentell die Entropie des Lithium-Ionen-Elektrolyten messen, ein thermodynamisches Merkmal, das sich direkt auf die Konstruktion von Lithium-Ionen-Batterien auswirken könnte.
"Bei unserer Arbeit geht es um das Verständnis der grundlegenden Thermodynamik von gelösten Lithiumionen, Informationen, die hoffentlich zur Entwicklung besserer Elektrolyte für Batterien führen werden", so David Cahill, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der U.I. und Leiter des Projekts. "Durch die Messung des gekoppelten Transports von elektrischer Ladung und Wärme beim Peltier-Effekt können wir die Entropie ableiten, eine Größe, die eng mit der chemischen Struktur der gelösten Ionen und deren Wechselwirkung mit anderen Teilen der Batterie zusammenhängt."
Der Peltier-Effekt ist in Festkörpersystemen gut erforscht, wo er bei der Kühlung und Kälteerzeugung eingesetzt wird. In ionischen Systemen wie Lithiumelektrolyten ist er jedoch noch weitgehend unerforscht. Der Grund dafür ist, dass die durch Peltier-Heizung und -Kühlung erzeugten Temperaturunterschiede im Vergleich zu anderen Effekten gering sind.
Um dieses Hindernis zu überwinden, verwendeten die Forscher ein Messsystem, das eine Auflösung von einem hunderttausendstel Grad Celsius ermöglicht. Damit konnten die Forscher die Wärme zwischen den beiden Enden der Zelle messen und daraus die Entropie des Lithium-Ionen-Elektrolyten in der Zelle berechnen.
"Wir messen eine makroskopische Eigenschaft, die aber dennoch wichtige Informationen über das mikroskopische Verhalten der Ionen liefert", sagt Rosy Huang, Doktorandin in Cahills Forschungsgruppe und Mitautorin der Studie. "Messungen des Peltier-Effekts und der Entropie der Lösung sind eng mit der Solvatationsstruktur verbunden. Bisher haben sich Batterieforscher auf Energiemessungen verlassen, aber die Entropie würde eine wichtige Ergänzung zu diesen Informationen darstellen, die ein vollständigeres Bild des Systems vermittelt."
Die Forscher untersuchten, wie sich der Peltier-Wärmefluss mit der Konzentration der Lithiumionen, der Art des Lösungsmittels, dem Elektrodenmaterial und der Temperatur veränderte. In allen Fällen stellten sie fest, dass der Wärmefluss entgegengesetzt zum Ionenstrom in der Lösung verlief, was bedeutet, dass die Entropie aus der Auflösung der Lithiumionen geringer ist als die Entropie des festen Lithiums.
Die Möglichkeit, die Entropie von Lithium-Ionen-Elektrolytlösungen zu messen, kann wichtige Einblicke in die Mobilität der Ionen geben, die den Aufladezyklus der Batterie bestimmt, und wie die Lösung mit den Elektroden interagiert, ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer der Batterie.
"Ein unterschätzter Aspekt der Batterieentwicklung ist, dass der flüssige Elektrolyt im Kontakt mit den Elektroden chemisch nicht stabil ist", so Cahill. "Er zersetzt sich immer und bildet eine so genannte Festkörper-Elektrolyt-Interphase. Um eine Batterie über lange Zyklen hinweg stabil zu machen, muss man die Thermodynamik dieser Zwischenphase verstehen, und genau dabei hilft unsere Methode."
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