04.05.2022 - Argonne National Laboratory

Nasselektrolyte könnten der Schlüssel zu einer kostengünstigen Energiespeicherung sein

Wasserhaltiger Batterieelektrolyt könnte billigere und einfacher herzustellende Batterien ermöglichen

Für Wissenschaftler, die an der Entwicklung der nächsten Generation von Batterien arbeiten, war Wasser bisher der Feind. So müssen Lithium-Ionen-Batterien in der Regel unter extrem trockenen Bedingungen hergestellt werden, damit sie große Mengen an Ladung speichern können. Eine neue Entdeckung könnte jedoch zeigen, dass eine bestimmte Art von Lithium-Ionen-Batterie buchstäblich Wasser aufnehmen kann.

In einer Batterie bewegen sich Ionen zwischen den beiden Elektroden, um die beim Laden und Entladen entstehende elektrische Ladung auszugleichen. Elektrolyte sind die Batteriekomponente, die diesen Vorgang ermöglicht. Auf der Grundlage detaillierter Modelle von Wasser in verschiedenen Elektrolytumgebungen, die durch frühere Computersimulationen erstellt wurden, haben Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) einen neuen Batterieelektrolyten entwickelt, der tausendmal mehr Wasser aufnehmen kann als herkömmliche Elektrolyte, so der leitende Batteriechemiker Zhengcheng "John" Zhang vom Argonne.

"Wir waren immer der Meinung, dass Wasser in einer Lithium-Ionen-Batterie große Probleme verursachen würde. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass unsere Formulierung wesentlich mehr Wasser aufnehmen kann als bisher bekannt, was dazu beitragen könnte, die Kosten für die Herstellung von Batterien zu senken", so Zhang.

Da es sich bei Lithium-Ionen-Batterien um Trockenbatterien handelt, können sie nur Spuren von Feuchtigkeit enthalten, was spezielle Produktionsanlagen erfordert. Durch die Verwendung eines Elektrolyten, der aus zwei Arten von Salzen besteht - einem Lithiumsalz und einer ionischen Flüssigkeit - konnte das Team jedoch eine Situation schaffen, in der wesentlich mehr Wassermoleküle stabil vom Elektrolyten absorbiert werden konnten.

Zur Unterstützung der Versuchsergebnisse und zur Untersuchung des zugrundeliegenden chemischen Mechanismus nutzte der Argonne-Wissenschaftler Wei Jiang den Theta-Supercomputer der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um Simulationen des Elektrolyten in der Nähe der Elektrodenoberfläche durchzuführen und sich ein Bild vom Verhalten der Wassermoleküle zu machen. Die ALCF ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.

"Die Modellierung dieses komplexen Prozesses, der mehrere Längen- und Zeitskalen umfasst, erfordert die Leistung eines Supercomputers wie Theta", sagte Jiang. Die Simulationen gaben uns einen Einblick in den Einfluss von Wasser auf die Batterieleistung auf atomarer Ebene und lieferten Erkenntnisse, die mit Laborexperimenten allein nicht möglich waren."

Schon geringe Mengen Wasser verschlechtern die Batterieleistung. Das liegt daran, dass Wassermoleküle neben Wassermolekülen neben Wassermolekülen - nanoskalige "Pfützen" - mit dem Elektrolyten selbst reagieren und korrosive Nebenprodukte erzeugen, die die Batterie angreifen.

Die Simulationen des Teams ergaben jedoch, dass ein neuer Elektrolyt, der aus einem Lithiumsalz und einer ionischen Flüssigkeit besteht, Wasser abtrennen und binden kann, wodurch einzelne Wassermoleküle eingeschlossen werden. Die experimentelle Arbeit des Argonne-Teams zeigt, dass dieser neuartige Elektrolyt bis zu tausendmal mehr Wasser enthalten kann als die Elektrolyte, die derzeit in Elektrofahrzeug- und Verbraucherbatterien verwendet werden.

Wie die Computersimulationen zeigen, liegt der Schlüssel darin, dass sich die Wassermoleküle nicht zu "Pfützen" zusammenballen und dadurch an Reaktivität verlieren.

"Selbst an den Elektrodenoberflächen, die für Wasseransammlungen anfällig sind, zeigen unsere atomistischen Simulationen, dass die einzelnen Wassermoleküle sehr stabil sind", so Jiang.

Durch die Analyse der Anhäufung von Wassermolekülen in der Elektrolytmatrix haben die Computersimulationen eine quantitative Beziehung zwischen der Wassertoleranz des Elektrolyten und dem "Salzgehalt" der Elektrolytbestandteile ermittelt.

"Bis zu einem gewissen Grad können wir mit einem salzigen Elektrolyten Wasser halten", so Zhang. Das Wassermolekül wird von den verschiedenen Ionen in einem bestimmten Konzentrationsbereich des salzigen Mediums eingefangen, wodurch es weniger reaktiv wird".

Diese Studie bietet Batterieherstellern einen potenziellen Weg, Wasser in den Batterieherstellungsprozess einzubeziehen, was eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Herstellung ermöglicht, so Zhang.

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