Wer Elektrolyte beherrscht, ebnet den Weg für Elektrofahrzeuge

Durchbruch bei der Entwicklung einer Batterie auf Gelelektrolytbasis

04.07.2024

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Professor Soojin Park, Seoha Nam, ein Doktorand, und Dr. Hye Bin Son vom Fachbereich Chemie der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) haben einen Durchbruch bei der Entwicklung einer Batterie auf Gelelektrolytbasis erzielt, die sowohl stabil als auch kommerziell nutzbar ist. Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Small veröffentlicht .

Lithium-Ionen-Batterien werden in großem Umfang in der tragbaren Elektronik und der Energiespeicherung, einschließlich Elektrofahrzeugen, eingesetzt. Die in diesen Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyte stellen jedoch ein erhebliches Brand- und Explosionsrisiko dar, was die Forschung veranlasst hat, nach sichereren Alternativen zu suchen. Eine Alternative ist die Semi-Solid-State-Batterie, die einen Mittelweg zwischen herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten und Festkörperbatterien darstellt. Durch die Verwendung eines gelartigen Elektrolyts bieten diese Batterien eine höhere Stabilität, Energiedichte und eine relativ längere Lebensdauer.

Die Herstellung von Gelelektrolyten erfordert in der Regel eine längere Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen, die den Elektrolyten zersetzen kann, was zu einer verminderten Batterieleistung und höheren Produktionskosten führt. Darüber hinaus stellt der Grenzflächenwiderstand zwischen dem halbfesten Elektrolyten und der Elektrode eine Herausforderung für den Herstellungsprozess dar. Frühere Studien stießen bei der direkten Anwendung ihrer Ergebnisse auf aktuelle kommerzielle Batterieproduktionslinien aufgrund komplexer Herstellungsmethoden und Problemen bei großtechnischen Anwendungen auf Grenzen.

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Das Team von Professor Soojin Park löste diese Probleme mit Hilfe eines bifunktionellen vernetzbaren Additivs (CIA), Dipentaerythritolhexaacrylat (DPH), in Kombination mit der Elektronenstrahltechnologie. Das herkömmliche Herstellungsverfahren für Pouch-Batterien umfasst die Schritte Elektrodenvorbereitung, Elektrolyteinspritzung und -montage, Aktivierung und Entgasung. Die Forscher verbesserten jedoch die Doppelfunktionalität von DPH, indem sie einfach einen zusätzlichen Elektronenstrahl-Bestrahlungsschritt nach dem Entgasungsprozess einführten. Das CIA fungierte sowohl als Additiv, um eine stabile Schnittstelle zwischen der Anoden- und der Kathodenoberfläche während der Aktivierung zu schaffen, als auch als Vernetzer, um während des Bestrahlungsprozesses eine Polymerstruktur zu bilden.

Die Taschenbatterie des Teams, die einen Gelelektrolyten verwendet, reduzierte die Gasbildung aus den Nebenreaktionen der Batterie während der anfänglichen Lade- und Entladevorgänge erheblich, und zwar um das 2,5-fache im Vergleich zu herkömmlichen Batterien. Darüber hinaus wurde der Grenzflächenwiderstand aufgrund der starken Kompatibilität zwischen den Elektroden und dem Gelelektrolyten wirksam minimiert.

Anschließend entwickelten die Forscher eine Hochkapazitätsbatterie mit einer Kapazität von 1,2 Ah (Amperestunden) und testeten ihre Leistung bei 55 Grad Celsius, einer Umgebung, die die Zersetzung des Elektrolyten beschleunigt. Unter diesen Bedingungen kam es bei Batterien mit herkömmlichen Elektrolyten zu einer erheblichen Gasbildung, was zu einer raschen Verringerung der Kapazität und zum Aufquellen der Batterie nach 50 Zyklen führte. Im Gegensatz dazu zeigte die Batterie des Teams keine Gasbildung und behielt auch nach 200 Zyklen eine Kapazität von 1 Ah bei, was ihre erhöhte Sicherheit und Haltbarkeit unter Beweis stellt.

Diese Forschungsarbeit ist von besonderer Bedeutung, da sie es ermöglicht, sowohl die Sicherheit als auch die Wirtschaftlichkeit von Batterien auf der Basis von Gelelektrolyten in bestehenden Produktionslinien für Beutelbatterien schnell in Serie zu produzieren.

Professor Soojin Park von POSTECH kommentierte: "Diese Errungenschaft in Bezug auf die Stabilität und die kommerzielle Verwendbarkeit wird ein Durchbruch in der Elektrofahrzeugindustrie sein." Er fügte hinzu: "Wir hoffen, dass dieser Fortschritt nicht nur für Elektrofahrzeuge, sondern auch für eine breite Palette anderer Anwendungen, die auf Lithium-Ionen-Batterien angewiesen sind, von großem Nutzen sein wird."

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Originalveröffentlichung

Seoha Nam, Hye Bin Son, Chi Keung Song, Chang‐Dae Lee, Yeongseok Kim, Jin‐Hyeok Jeong, Woo‐Jin Song, Dong‐Hwa Seo, Tae Sung Ha, Soojin Park; "Mitigating Gas Evolution in Electron Beam‐Induced Gel Polymer Electrolytes Through Bi‐Functional Cross–Linkable Additives"; Small, 2024-4-30

https://www.chemie.de/news/1183877/wer-elektrolyte-beherrscht-ebnet-den-weg-fuer-elektrofahrzeuge.html