21.09.2022 - Tsinghua University

Chemische Additive verbessern die Stabilität von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Dichte

Da unser Bedarf an Batterien mit hoher Dichte mit der breiten Einführung von Elektroautos und alternativen Energiequellen steigt, ist es notwendig, die Stabilität und Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Die derzeitige Lithium-Ionen-Batterietechnologie, bei der häufig Nickel zum Einsatz kommt, ist bei extremen Temperaturen weniger stabil, was zu Überhitzung aufgrund von Temperatur und hohen Spannungen führt. Außerdem neigen sie dazu, sich schnell zu zersetzen.

Um dieses Problem zu lösen, untersuchen Forscher neue chemische Kombinationen, die diese Nachteile ausgleichen können. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Wissenschaftler gezeigt, wie ein Lösungsmittel und ein Zusatz einer anorganischen Verbindung die Stabilität und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien mit Nickelkathoden verbessern können.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 12. September in Nano-Forschung.

Die Grundlagen der Funktionsweise von Batterien sind dieselben, unabhängig davon, ob es sich um eine industrielle Lithium-Ionen-Batterie oder eine durchschnittliche AA-Batterie für den Haushalt handelt. Die Kathode ist die positive Elektrode, die Anode die negative Elektrode, und dazwischen befindet sich im Inneren der Batterie eine Lösung, der so genannte Elektrolyt. Positiv und negativ geladene Ionen fließen durch den Elektrolyten, und eine chemische Reaktion erzeugt elektrische Energie. In dieser Studie identifizierten die Forscher einen flüssigen Elektrolyten auf Sulfolanbasis, dem Lithiumperchlorat zugesetzt wurde, als mögliche Lösung für die üblichen Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien.

"Bei Kathoden auf Nickelbasis wird eine gute elektrochemische Leistung bei niedrigen Temperaturen in der Regel auf Kosten der Eigenschaften und der Sicherheit bei Raumtemperatur erreicht. Dies liegt daran, dass sich Elektrolyte mit niedrig schmelzenden Lösungsmitteln drastisch verschlechtern. Auch die hohe Flüchtigkeit und Entflammbarkeit dieser Elektrolyte schränkt ihre Anwendung bei hohen Temperaturen ein", so Professor Fang Lian von der School of Materials Science and Engineering an der University of Science and Technology Beijing in Peking, China. Durch die Zugabe von Lithiumperchlorat zum Sulfolan konnten die Forscher viele dieser Nachteile ausgleichen.

Sulfolan ist ein Lösungsmittel, das ursprünglich für den Einsatz in der Öl- und Gasindustrie entwickelt wurde, heute aber in vielen verschiedenen industriellen Bereichen verwendet wird, da es bei hohen Temperaturen stabil bleibt. Lithiumperchlorat ist eine anorganische Verbindung, die mit dem Sulfolan kombiniert wird, um die Stabilität des Elektrolyten zu erhalten. Eine dritte Chemikalie wird hinzugefügt, um den Elektrolyten zu verdünnen und die Stabilität des Elektrolyten in einem breiten Temperaturbereich zu verbessern.

Um zu testen, wie gut der vorgeschlagene Elektrolyt funktioniert, haben die Forscher eine Batterie mit diesem Elektrolyt hergestellt und eine Reihe von Tests und theoretischen Berechnungen durchgeführt. Sie stellten fest, dass das Lösungsmittel die Leitfähigkeit in einem breiten Temperaturbereich von -60 bis 55 Grad Celsius aufrechterhalten kann. Im Vergleich dazu neigen herkömmliche Elektrolyte dazu, bei Temperaturen unter -20 Grad Celsius zu erstarren. Durch die Zugabe von Lithiumperchlorat zum Elektrolyten wird die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Chemikalien im Elektrolyten gestärkt und die benötigte Energiemenge verringert, so dass der Elektrolyt bei niedrigeren Temperaturen leichter funktioniert.

"Der verdünnte, hochkonzentrierte Elektrolyt auf Sulfolanbasis mit Lithiumperchlorat-Zusatz ermöglicht den Einsatz bei hohen Temperaturen in Hochspannungszellen. Diese Kombination verbessert die Lithium-Ionen-Übertragung und verringert die Desolvationsenergie, während sie gleichzeitig die kontinuierliche Zersetzung des Elektrolyten und die akute Verschlechterung der Kathode bei hohen Temperaturen verhindert", so Lian. "Unsere Arbeit ermöglicht ein umfassendes Verständnis des molekularen Designs des Elektrolyten und erleichtert die Entwicklung von Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte."

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