31.03.2020 - University of Tokyo

Bessere, sicherere Batterien

Eine neue Batteriechemie verspricht sicherere Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterien

Zum ersten Mal haben Forscher, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften der elektrischen Energiespeicherung erforschen, einen neuen Weg zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien gefunden. Es gelang ihnen, nicht nur die Spannungsabgabe einer Lithium-Ionen-Batterie zu erhöhen, sondern auch ihre Fähigkeit, gefährliche Zustände zu unterdrücken, die die aktuelle Reichweite der Batterien beeinträchtigen. Diese verbesserte Lithium-Ionen-Batterie könnte längere Fahrten in Elektrofahrzeugen ermöglichen und zur Schaffung einer neuen Generation von Energiespeichern für den Hausgebrauch führen, die beide eine verbesserte Brandsicherheit aufweisen.

Nehmen wir uns einen Moment Zeit, um über Batterien nachzudenken. Sie versorgen so ziemlich jedes Gerät, das nicht an die Wand angeschlossen ist, vielleicht sogar Ihr Auto. Doch trotz ihres Nutzens achten die meisten Menschen nur dann auf sie, wenn ihnen der Strom ausgeht. Aber es gibt Sicherheitsprobleme mit den aktuellen Lithium-Ionen-Batterien, die Geräte beschädigen können und die bekanntermaßen Brände auslösen können. Forscher der Graduate School of Engineering und der Graduate School of Science an der Universität Tokio haben einen Weg gefunden, die Sicherheit zu verbessern und mehr Ladung zu erzeugen.

"Die Spannung einer Batterie wird durch ihr Elektrolytmaterial begrenzt. Das Elektrolytlösungsmittel in Lithium-Ionen-Batterien ist heute dasselbe wie bei der Kommerzialisierung der Batterien in den frühen 1990er Jahren", sagte Professor Atsuo Yamada. "Wir dachten, es gäbe Raum für Verbesserungen, und wir haben ihn gefunden. Unser neuer Elektrolyt mit fluoriertem zyklischem Phosphat als Lösungsmittel (TFEP) verbessert das bestehende Ethylencarbonat (EC), das heute in Batterien weit verbreitet ist, erheblich.

EC ist bekanntermaßen brennbar und oberhalb von 4,3 Volt instabil; TFEP hingegen ist nicht brennbar und kann größere Spannungen bis zu 4,9 Volt vertragen. Diese zusätzliche Spannung in einem ansonsten identisch großen Paket kann bedeuten, dass die Batterien länger halten können, bevor sie eine weitere Ladung benötigen. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen mit Lithium-Ionen-Antrieb würde sich diese zusätzliche Reichweite und Sicherheit zweifellos als äußerst nützlich erweisen.

"Wir sind stolz auf diese Entwicklung, und ihre Wirksamkeit kam ein wenig überraschend. Der Grund dafür ist, dass die Art und Weise, wie wir die TFEP entwickelt haben, an sich neuartig war, auch dank unserer Zusammenarbeit mit dem organischen Chemiker Professor Eiichi Nakamura", fuhr Yamada fort. "Die meisten Forschungen über Elektrolyte sind ein wenig Versuch und Irrtum, wobei leichte Änderungen der Grundchemie selten einen Vorteil bieten. Unser Ansatz kam von einem theoretischen Verständnis der zugrunde liegenden Molekularstrukturen. Wir haben die sicheren Hochspannungseigenschaften vorhergesagt, bevor wir sie experimentell verifiziert haben. Es war also eine sehr angenehme Überraschung".

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