Kostengünstigere, nachhaltigere Akkus

Ultraniedrig konzentrierter Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien

23.04.2024

Lithium-Salze machen Akkumulatoren leistungsfähig, aber teuer. Ein ultraniedrig konzentrierter Elektrolyt auf Basis des Lithium-Salzes LiDFOB könnte eine kostengünstige und dabei nachhaltigere Alternative sein. Zellen mit diesem Elektrolyten und gängigen Elektroden zeigten sich hochleistungsfähig, wie ein Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet. Zudem könnte der Elektrolyt sowohl Herstellung als auch Recycling der Akkus vereinfachen.

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) versorgen Smartphones und Tablets mit Strom, treiben Elektrofahrzeuge an und speichern Strom in Kraftwerken. Hauptbestandteile der meisten LIBs sind Lithium-Kobaltoxid (LCO)-Kathoden, Graphit-Anoden und flüssige Elektrolyte, die bewegliche Ionen für die entkoppelten Kathoden- und Anoden-Reaktionen liefern. Sie bestimmen die Eigenschaften der Grenzschicht, die sich auf den Elektroden bildet, und damit z.B. die Zyklusleistung. Dennoch basieren kommerzielle Elektrolyte meist noch auf einem System, das vor mehr als 30 Jahren formuliert wurde: 1,0 bis 1,2 mol/l Lithium-Hexafluorphosphat (LiPF₆) in Carbonsäureestern (Carbonat-Lösungsmittel). In den letzten zehn Jahren wurden hochkonzentrierte Elektrolyte (> 3 mol/l) entwickelt, die die Leistungsfähigkeit von Batterien erhöhen, denn sie fördern die Bildung robuster anorganisch dominierter Grenzschichten. Allerdings sind sie hochviskos, schlecht benetzend und schlecht leitfähig. Wegen der hohen Mengen an Lithium-Salzen sind sie zudem sehr teuer – oft ein kritischer Parameter für die Machbarkeit. Um diese Kosten zu senken, wird inzwischen auch an ultraniedrig konzentrierten Elektrolyten geforscht ( < 0,3 mol/l). Der Nachteil: Das Lösungsmittel wird in der Zelle stärker zersetzt als die wenigen Salz-Anionen, was zu einer organisch dominierten, weniger stabilen Grenzfläche führt.

Das Team von der Ningbo University (China) und der University of Puerto Rico am Rio-Piedras-Campus (USA) um Jinliang Yuan, Lan Xia und Xianyong Wu hat jetzt einen ultraniedrig konzentrierten Elektrolyten entwickelt, der sich für praktische Anwendungen in Lithium-Ionen-Batterien eignen könnte: LiDFOB/EC-DMC. LiDFOB (Lithium-Difluor(oxalato)borat) ist ein gängiges Additiv und wesentlich kostengünstiger als LiPF₆. EC-DMC (Ethylcarbonat/Dimethylcarbonat) ist ein kommerzielles Carbonat-Lösungsmittel. Der Elektrolyt hat einen rekordverdächtig niedrigen Salzgehalt von 2 Gewichtsprozent (0,16 mol/l), aber eine ausreichend hohe ionische Leitfähigkeit (4,6 mS/cm) für den Batteriebetrieb. Zudem ermöglichen die besonderen Eigenschaften der DFOB^–-Anionen die Bildung einer anorganisch dominierten, robusten Grenzschicht auf LCO- und Graphit-Elektroden, die eine ausgezeichnete Zyklusstabilität in Halb- und Vollzellen ergab.

Während das gängige LiPF₆ sich in Gegenwart von Feuchtigkeit zersetzt und hochtoxisches, korrosives Fluorwasserstoffgas (HF) freisetzt, ist LiDFOB feuchtigkeits- und luftstabil. Statt unter strikten Trockenraumbedingungen könnten LIBs mit LiDFOB unter Umgebungsbedingungen hergestellt werden – eine weitere Kostenersparnis. Auch das Recycling wäre deutlich unproblematischer und damit nachhaltiger.

Originalveröffentlichung

Zhishan Liu, Wentao Hou, Haoran Tian, Qian Qiu, Irfan Ullah, Shen Qiu, Wei Sun, Qian Yu, Jinliang Yuan, Lan Xia, Xianyong Wu; "An Ultralow‐concentration and Moisture‐resistant Electrolyte of Lithium Difluoro(oxalato)borate in Carbonate Solvents for Stable Cycling in Practical Lithium‐ion Batteries"; Angewandte Chemie International Edition, 2024-4-5

https://www.chemie.de/news/1183268/kostenguenstigere-nachhaltigere-akkus.html