Neue "Eintopf"-Technik als Durchbruch für die Materialsynthese
Gleichzeitige Entwicklung von anorganischen und polymeren Batterieelektrolyten, die in der gesamten Chemie Anwendung finden könnten
Die Herstellung von Batterieelektrolyten - der Komponente, die die geladenen Teilchen zwischen den beiden Polen einer Batterie hin und her transportiert - war schon immer ein Kompromiss.
Eine neue Arbeit aus dem Labor von Assistenzprofessor Chibueze Amanchukwu (links) von der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering, an der auch Erstautorin Priyadarshini Mirmira (rechts) beteiligt ist, demonstriert eine neue Technik, mit der anorganische und polymere Elektrolyte zur gleichen Zeit und im gleichen Behälter hergestellt werden können.
UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich
Anorganische Festkörperelektrolyte transportieren die Partikel äußerst effizient, aber da sie fest und anorganisch sind, sind sie auch spröde, schwer zu verarbeiten und lassen sich nur schwer nahtlos mit den Anschlüssen verbinden. Polymerelektrolyte sind ein Traum, aber sie transportieren die geladenen Ionen nicht so gut.
Wenn man die beiden mischt, um Hybridelektrolyte zu schaffen, entstehen, nun ja, gemischte Ergebnisse.
"Das ist ein Dilemma. Ist ein Hybrid das Beste aus beiden Welten, was die höhere Ionenleitfähigkeit des anorganischen Materials und die guten mechanischen Eigenschaften des Polymers angeht, oder ist es eine Kombination der schlechtesten Eigenschaften?", sagt Assistenzprofessor Chibueze Amanchukwu von der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME).
Mit einer neuen Technik aus dem Labor von Amanchukwu werden anorganische und polymere Elektrolyte zur gleichen Zeit im gleichen Gefäß hergestellt. Diese "Eintopf"-Methode in-situ erzeugt eine kontrollierte, homogene Mischung, die die Leitfähigkeit der anorganischen Feststoffe mit der Flexibilität der Polymere verbindet.
"Bei der Herstellung von Lithium-Metall-Batterien übertrifft die In-situ-Methode die physikalische Mischmethode ganz erheblich", so Amanchukwu.
Ihre Arbeit wurde in Chemistry of Materials veröffentlicht.
Obwohl sich die Studie auf Batterieelektrolyte konzentrierte, wird sich die neue Technik auch auf die Halbleiterforschung, die Elektronik, industrielle Beschichtungen, Dichtstoffe und alle anderen Bereiche auswirken, die auf Hybridmaterialien angewiesen sind.
"Angenommen, man möchte etwas, das sich wirklich gut dehnen und drehen lässt - wie tragbare Elektronik - dann könnte man das Polymer so gestalten, dass man die mechanische Flexibilität mit diesem Material erhält", so Erstautorin Priyadarshini Mirmira, PhD'24.
Die Ströme vereinen
Die Herstellung von Hybridmaterialien umfasst derzeit zwei Syntheseströme. Das anorganische und das polymere Material werden getrennt hergestellt, selbst wenn beide gleichzeitig synthetisiert werden - und dann wird noch zusätzliche Zeit benötigt, um die beiden Materialien miteinander zu vermischen.
Das ist ein Ärgernis im Labor, aber eine wirtschaftliche Hürde bei der Massenproduktion, die die Industrie benötigt.
"Vom industriellen Standpunkt aus gesehen ist es wirklich schwierig und teuer, die Produktion zu steigern", so Mirmira. "Wenn man beides in einem Topf herstellen kann, reduziert man den Arbeitsaufwand für die Herstellung des Hybridmaterials."
Das Mischen von Hightech-Kunststoffen hat die gleichen Probleme wie das Mischen von Haferflocken - Klumpen. Eine klumpige Mischung bedeutet ineffiziente Batterien, verklumpte Dichtstoffe und weniger nützliche Elektronik.
"Ich habe das Pulver, die Keramik und das Polymer hergestellt, jetzt kann ich sie mischen", sagte Amanchukwu. "Die Herausforderung ist, was macht eine gute Mischung aus? Willst du eine gute Mischung? Will man das nicht? Agglomerieren die Partikel? Tun sie das nicht?"
Die Herstellung der Materialien in einem Topf führt nicht nur zu einer perfekten physikalischen Mischung, sondern das Team konnte auch feststellen, dass sich einige Materialien chemisch vermischen.
"Bei einigen Kombinationen des anorganischen Vorläufers und des Polymervorläufers konnten wir eine Vernetzung nachweisen, d. h. eine chemische Bindung zwischen dem anorganischen und dem Polymer", so Amanchukwu. "Das ist einfach eine neue Materialchemie, die uns begeistert hat."
Vielfältige Anwendungen
Die Arbeit konzentrierte sich auf Lithiumbatterien, da diese am häufigsten in Elektrofahrzeugen, Netzspeichern und anderen Anwendungen eingesetzt werden. Die Technik kann aber auch mit Natriumbatterien eingesetzt werden, die als kostengünstigere und reichhaltigere Alternative zu Lithium auf dem Vormarsch sind.
"Es geht eigentlich nur darum, einen der Reaktanten auf der anorganischen Seite zu ändern, um es auch für eine Natriumbatteriezelle anwendbar zu machen", sagte Mirmira.
Die Skalierung des Ein-Topf-Verfahrens auf das für die industrielle Fertigung erforderliche Niveau erfordert "ein paar verschiedene Stellschrauben", so Mirmira. Der Prozess muss zunächst einmal völlig luftfrei sein, d. h. unter Argon oder einem anderen Inertgas ablaufen. Das ist im Labor leichter zu bewerkstelligen als in einer Fabrik.
Zweitens: Der Topf wird heiß. Um das industrielle Niveau zu erreichen, ist eine genaue Abstimmung erforderlich - das Gefäß muss heiß genug sein, um das Polymer zu synthetisieren, aber nicht so heiß, dass die Zersetzungstemperatur des Materials überschritten wird.
"Wenn man die Reaktion vergrößert, hat man mehr Material, und das Gefäß wird noch heißer", sagt Mirmira. "Man muss sich also um die Temperaturkontrolle kümmern.
Sobald diese Hindernisse überwunden sind, wird die Forschung zu perfekten, homogenen Hybriden führen, die auf wirtschaftliche und chemisch effiziente Weise hergestellt werden.
"Diese Art der Kontrolle über ein vollständig integriertes anorganisches Polymermaterial war eine Herausforderung, die wir zu lösen versuchten, und es war eine ziemlich coole Sache, die wir erreichen konnten", so Mirmira.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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