16.07.2019 - Washington University in St. Louis

Kein Ausprobieren mehr bei der Wahl eines Elektrolyten für Metall-Luft-Batterien

Metall-Luft-Batterien wurden aufgrund ihrer außergewöhnlichen gravimetrischen Energiedichten als Nachfolger von Lithium-Ionen-Batterien verfolgt. Sie könnten es potenziell ermöglichen, dass Elektroautos mit einer einzigen Ladung tausend Meilen oder mehr zurücklegen.

Ein vielversprechendes neues Mitglied der Familie der Alkali-Metall-Luft-Batterien ist die Kalium-Luft-Batterie, die mehr als das Dreifache der theoretischen gravimetrischen Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien aufweist. Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von Kalium-Luft-Batterien ist die Wahl des richtigen Elektrolyten, der Flüssigkeit, die den Ionenaustausch zwischen Kathode und Anode erleichtert.

Typischerweise werden Elektrolyte nach einem Trial-and-Error-Ansatz ausgewählt, der auf Faustregeln basiert, die mehrere Elektrolyteigenschaften korrelieren, gefolgt von ausführlichen (und zeitaufwendigen) Tests mehrerer Elektrolytkandidaten, um festzustellen, ob die gewünschte Leistung erreicht wird.

Forscher der Washington University in St. Louis unter der Leitung von Vijay Ramani, den Roma B. und Raymond H. Wittcoff Distinguished Professor of Environment & Energy an der McKelvey School of Engineering, haben nun gezeigt, wie Elektrolyte für Alkalimetall-Luftbatterien mit einem einzigen, einfach zu messenden Parameter ausgewählt werden können.

Ramanis Team untersuchte die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Salz und Lösungsmittel im Elektrolyten und zeigte, wie diese Wechselwirkungen die gesamte Batterieleistung beeinflussen können. Sie entwickelten einen neuartigen Parameter, nämlich den "Electrochemical" Thiele Modulus, ein Maß für die Leichtigkeit des Ionentransports zu und der Reaktion an einer Elektrodenoberfläche.

Diese Forschung dokumentiert das erste Mal, dass die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Marcus-Hush-Theorie der Elektronenübertragung verwendet wurde, um den Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Bewegung von Ionen durch den Elektrolyten und ihre Reaktion an der Oberfläche der Elektrode zu untersuchen.

Es wurde gezeigt, dass dieser Thiele-Modul mit zunehmender Lösungsmittelsanierungsenergie exponentiell abnimmt - ein Maß für die Energie, die benötigt wird, um die Solvatationskugel einer gelösten Spezies zu verändern. So könnte die Energie der Lösungsmittelsanierung genutzt werden, um Elektrolyte für Hochleistungs-Metall-Luft-Batterien rational auszuwählen. Kein Versuch und Irrtum mehr.

"Wir haben versucht, den Einfluss des Elektrolyten auf die Sauerstoffreduktionsreaktion in Metall-Luft-Batteriesystemen besser zu verstehen", sagt Shrihari Sankarasubramanian, ein Forschungswissenschaftler im Ramani-Team und Hauptautor der Studie.

"Wir zeigten am Ende, wie die Diffusion von Ionen im Elektrolyten und die Reaktion dieser Ionen auf der Elektrodenoberfläche mit der Energie korreliert sind, die benötigt wird, um die Solvatationshülle um die gelösten Ionen zu brechen."

"Zu zeigen, wie ein einzelner Parameterdeskriptor der Solvatisierungsenergie sowohl mit dem Ionentransport als auch mit der Oberflächenreaktionskinetik korreliert, ist ein bahnbrechender Fortschritt", sagte Ramani. "Es wird uns ermöglichen, rational neue Hochleistungselektrolyte für Metall-Luft-Batterien zu entwickeln."

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