22.05.2020 - Skolkovo Institute of Science and Technology

Von Wasser fernhalten: Vielversprechender Festelektrolyt ist 'hydrophob'

Direkte Auswirkungen auf potenzielle Leistung und Lebensdauer von Batterien

Die Forscher von Skoltech und ihre Kollegen haben gezeigt, dass LATP, ein Festelektrolyt, der für die Verwendung in Energiespeichern der nächsten Generation in Betracht gezogen wird, sehr empfindlich auf Wasser reagiert, was direkte Auswirkungen auf die potenzielle Leistung und Lebensdauer von Batterien hat.

Obwohl erneuerbare Energiequellen aufgrund grüner Technologien und hoher Umwandlungseffizienz weltweit auf großes Interesse stoßen, bleibt ihre Integration eine Herausforderung, da erneuerbare Energien von Natur aus zyklisch und uneinheitlich sind. So wie die Nacht auf den Tag folgt und die Windstille auf den Wind, so folgt der Leerlauf auf die Stromerzeugung. Es liegt auf der Hand, dass eine derart unvorhersehbare intermittierende Stromversorgung kaum die Erwartungen der Verbraucher erfüllen wird, aber es gibt eine Lösung, die dieses Hindernis überwinden kann, nämlich Energiespeichernetze. Von diesen Systemen wird erwartet, dass sie spontan erzeugte Energie sammeln und dann bei Bedarf verteilen und so für eine stabile und flexible Stromversorgung sorgen.

Unter der breiten Palette von Energiespeichersystemen scheinen Redox-Flow-Batterien aufgrund der einfachen Skalierbarkeit, des Betriebs und der kontrollierbaren Ausgangsleistung am besten geeignet zu sein. Eine Redox-Flow-Batterie ist in gewisser Weise eine herkömmliche Batterie, die auf den Kopf gestellt wird: Elektroden werden zu Flüssigkeiten (Anolyt und Katholyt), während der ionenleitende Elektrolyt zu einer festen Membran wird. Die Eigenschaften dieser Membran bestimmen die endgültige Leistung und Lebensdauer der Batterie, weshalb die Wissenschaftler verschiedene Materialien, sowohl anorganische als auch polymere, in Betracht ziehen, die sich für diesen Zweck eignen würden.

Eine dieser Verbindungen ist Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 oder LATP. Es handelt sich um ein bekanntes lithiumleitendes Material, das zur NASICON-Familie gehört (benannt nach den ersten gut beschriebenen Vertretern der Natriumleitfähigkeit - Na Super Ionic Conductor). Diese Familie ist durch eine ähnliche Kristallstruktur definiert, die ihre hohe Ionenleitfähigkeit bestimmt.

Die Leitfähigkeit und die strukturellen Merkmale der LATP werden recht gründlich beschrieben, doch ihre Stabilität gegenüber gewöhnlichen Umweltfaktoren wie Luft und Wasser ist noch wenig bekannt. Daher beschlossen Mariam Pogosova vom Skoltech Center for Energy Science and Technology und ihre Kollegen, herauszufinden, ob reines Wasser die Eigenschaften der LATP beeinflusst.

"LATP hat unsere wissenschaftliche Neugier geweckt. Als bekannter superionischer Leiter hat LATP ein hohes Potenzial für weitere chemische und technologische Verbesserungen. Wir kannten seine Grenzen, wie z.B. schlechte mechanische Eigenschaften (Sprödigkeit) und Instabilität gegenüber metallischem Lithium. Diese Einschränkungen waren jedoch durchaus akzeptabel, da wir planten, sie durch die Schaffung von Verbundmaterial auszugleichen. Also begannen wir mit unseren Experimenten", erklärt Pogosova.

Frühere Studien der Gruppe zeigten, dass LATP-Keramiken ihre Leitfähigkeit ziemlich drastisch verloren, wenn sie mehrere Tage lang sowohl in der Umgebungsluft als auch in Argon gelagert wurden. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass Feuchtigkeit eine Schlüsselrolle bei diesem Abbau spielen könnte, und machten sich daran, die LATP-Belastung durch Wasser zu untersuchen.

Zunächst synthetisierten die Wissenschaftler LATP durch die ursprüngliche zweistufige Festkörperreaktion. Dann legten sie ihre Proben in deionisiertes Wasser und verließen es für verschiedene Zeiträume bis zu 12 Stunden und führten anschließend elektrochemische, strukturelle, chemische und morphologische Analysen durch, die durch theoretische Modellierung unterstützt wurden.

Die Experimente zeigten, dass sich LATP-Keramiken in Kontakt mit Wasser signifikant abbauen und nach etwa zwei Stunden Exposition bis zu 64% der gesamten Ionenleitfähigkeit verlieren. Die Wissenschaftler beobachteten auch eine Reihe anderer Anzeichen von Degradation: Mikrorisse, Verzerrung der Kornform, Bildung von Nanopartikeln, Verschiebungen in der chemischen Zusammensetzung, Schrumpfung der Einheitszellen sowie intrastrukturelle Polyeder und Dehnungsänderungen. All dies führte sie zu der Schlussfolgerung, dass LATP-Keramiken sehr empfindlich auf Wasser reagieren und wahrscheinlich für die Verwendung in wässrigen Redox-Flow-Batterien ungeeignet sind.

"Offensichtlich ist der Einfluss von Wasser ein Problem für reine LATPs und ihre Eignung für Redox-Fluss-Systeme, insbesondere für wässrige Systeme. Ich möchte betonen, dass das in dieser Studie analysierte System aus deionisiertem Wasser und LATP nicht die tatsächlichen Bedingungen einer Redox-Flow-Batterie darstellt, da die Anolyt-/Katholyt-Lösungen komplexer sind. Daher würde ich an dieser Stelle nicht versuchen, die Zukunft der LATP vorherzusagen. Dennoch glaube ich, dass die gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse bereits wertvoll und anwendbar sind: Jede Art von Wasser ist jetzt eindeutig ein Grund, in Alarmbereitschaft zu sein. Beispielsweise können wir jetzt die anfängliche Leistungsfähigkeit der LATP-Keramik durch eine einfache Trocknungs- und Vakuumbehandlung erhalten", sagt Mariam Pogosova.

Sie weist auch darauf hin, dass ihre Forschung überraschenderweise die erste gründliche und vielseitige Studie über den Einfluss von Wasser auf die LATP ist. "Wir planen also sicherlich weitere Studien, um das Verhalten der LATP in anderen Medien zu verfeinern, um herauszufinden, ob sie unter Redox-Flussbedingungen gut funktionieren wird", fügt Pogosova hinzu.

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