Diese energiegeladenen Batterien funktionieren auch bei extremer Kälte und Hitze

Solche Batterien könnten es Elektrofahrzeugen in kalten Klimazonen ermöglichen, mit einer einzigen Ladung weiter zu fahren

08.07.2022 - USA

Ingenieure der Universität von Kalifornien in San Diego haben Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die sowohl bei eisiger Kälte als auch bei glühender Hitze gut funktionieren und dabei viel Energie liefern. Den Forschern gelang dieses Kunststück, indem sie einen Elektrolyten entwickelten, der nicht nur vielseitig und robust in einem breiten Temperaturbereich ist, sondern auch mit einer Hochenergie-Anode und -Kathode kompatibel ist.

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Solche Batterien könnten es Elektrofahrzeugen in kalten Klimazonen ermöglichen, mit einer einzigen Ladung weiter zu fahren; sie könnten auch den Bedarf an Kühlsystemen verringern, um die Batteriepakete der Fahrzeuge in heißen Klimazonen vor Überhitzung zu schützen, sagte Zheng Chen, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering und Hauptautor der Studie (Symbolbild)

Die temperaturbeständigen Batterien werden in einem Artikel beschrieben, der in der Woche vom 4. Juli in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde.

Solche Batterien könnten es Elektrofahrzeugen in kalten Klimazonen ermöglichen, mit einer einzigen Ladung weiter zu fahren; sie könnten auch den Bedarf an Kühlsystemen verringern, um die Batteriepacks der Fahrzeuge in heißen Klimazonen vor Überhitzung zu schützen, sagte Zheng Chen, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering und Hauptautor der Studie.

"In Gebieten, in denen die Umgebungstemperatur dreistellige Werte erreichen kann und die Straßen noch heißer werden, muss man mit hohen Temperaturen arbeiten. In Elektrofahrzeugen befinden sich die Batterien in der Regel unter dem Boden, in der Nähe dieser heißen Straßen", erklärte Chen, der auch Fakultätsmitglied des UC San Diego Sustainable Power and Energy Center ist. "Außerdem erwärmen sich die Batterien allein durch den Strom, der während des Betriebs fließt. Wenn die Batterien diese Erwärmung bei hohen Temperaturen nicht verkraften, lässt ihre Leistung schnell nach".

In Tests behielten die Proof-of-Concept-Batterien 87,5 % bzw. 115,9 % ihrer Energiekapazität bei -40 bzw. 50 C (-40 bzw. 122 F). Außerdem wiesen sie bei diesen Temperaturen hohe Coulomb-Wirkungsgrade von 98,2 % bzw. 98,7 % auf, was bedeutet, dass die Batterien mehr Lade- und Entladezyklen durchlaufen können, bevor sie aufhören zu funktionieren.

Die von Chen und Kollegen entwickelten Batterien sind dank ihres Elektrolyts sowohl kälte- als auch hitzetolerant. Er besteht aus einer flüssigen Lösung von Dibutylether in Verbindung mit einem Lithiumsalz. Eine Besonderheit von Dibutylether ist, dass seine Moleküle nur schwach an Lithiumionen binden. Mit anderen Worten: Die Elektrolytmoleküle können die Lithiumionen beim Betrieb der Batterie leicht loslassen. Diese schwache molekulare Wechselwirkung, so hatten die Forscher in einer früheren Studie herausgefunden, verbessert die Batterieleistung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Außerdem kann Dibutylether die Hitze gut verkraften, da er bei hohen Temperaturen flüssig bleibt (er hat einen Siedepunkt von 141 C, oder 286 F).

Stabilisierung der Lithium-Schwefel-Chemie

Eine weitere Besonderheit dieses Elektrolyten ist seine Kompatibilität mit Lithium-Schwefel-Batterien, einer Art wiederaufladbarer Batterie mit einer Anode aus Lithiummetall und einer Kathode aus Schwefel. Lithium-Schwefel-Batterien sind ein wesentlicher Bestandteil der Batterietechnologien der nächsten Generation, da sie eine höhere Energiedichte und niedrigere Kosten versprechen. Sie können bis zu zweimal mehr Energie pro Kilogramm speichern als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien, was die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln könnte, ohne dass sich das Gewicht des Batteriepacks erhöht. Außerdem ist Schwefel in größeren Mengen vorhanden und weniger problematisch zu beschaffen als das Kobalt, das in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriekathoden verwendet wird.

Allerdings gibt es bei Lithium-Schwefel-Batterien auch Probleme. Sowohl die Kathode als auch die Anode sind äußerst reaktiv. Schwefelkathoden sind so reaktiv, dass sie sich während des Batteriebetriebs auflösen. Dieses Problem verschärft sich bei hohen Temperaturen. Und Lithium-Metall-Anoden neigen dazu, nadelartige Strukturen, so genannte Dendriten, zu bilden, die in Teile der Batterie eindringen und einen Kurzschluss verursachen können. Infolgedessen halten Lithium-Schwefel-Batterien nur bis zu einigen Dutzend Zyklen.

"Wenn man eine Batterie mit hoher Energiedichte will, muss man in der Regel eine sehr harte, komplizierte Chemie verwenden", so Chen. "Hohe Energie bedeutet, dass mehr Reaktionen ablaufen, was weniger Stabilität und mehr Abbau bedeutet. Die Herstellung einer stabilen Hochenergiebatterie ist an sich schon eine schwierige Aufgabe - der Versuch, dies über einen großen Temperaturbereich zu erreichen, ist sogar noch schwieriger."

Der vom Team der UC San Diego entwickelte Dibutyletherelektrolyt verhindert diese Probleme, selbst bei hohen und niedrigen Temperaturen. Die getesteten Batterien hatten eine viel längere Lebensdauer als eine typische Lithium-Schwefel-Batterie. "Unser Elektrolyt trägt dazu bei, sowohl die Kathoden- als auch die Anodenseite zu verbessern und bietet gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit und Grenzflächenstabilität", so Chen.

Das Team hat außerdem die Schwefelkathode stabiler gemacht, indem es sie auf ein Polymer aufgepfropft hat. Dadurch wird verhindert, dass sich mehr Schwefel in den Elektrolyten auflöst.

Zu den nächsten Schritten gehören die Skalierung der Batteriechemie, die Optimierung für den Betrieb bei noch höheren Temperaturen und die weitere Verlängerung der Zyklusdauer.

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