Von Libellenflügeln inspiriertes Design für hochenergetische Lithiumbatterien

Ein mechanisch robuster in-situ verfestigter Polymerelektrolyt für Anoden auf SiOx-Basis

16.07.2025

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Auf der Suche nach Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) mit höherer Energiedichte suchen Forscher ständig nach innovativen Lösungen zur Verbesserung der Leistung von Anoden auf SiOx-Basis. Ein kürzlich veröffentlichter Artikel in Nano-Micro Lettersvon Professor Guanglei Cui und Professor Huanrui Zhang vom Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften veröffentlicht wurde, stellt einen bahnbrechenden Polymerelektrolyten vor, der von der Mikrostruktur von Libellenflügeln inspiriert wurde und hervorragende mechanische Eigenschaften und elektrochemische Leistungen aufweist.

Warum diese Forschung wichtig ist

Verbesserte elektrochemische Stabilität: Anoden auf SiOx-Basis sind für ihre hohe theoretische spezifische Kapazität bekannt, was sie für LIBs mit hoher Energiedichte attraktiv macht. Ihre erhebliche Volumenänderung und der schnelle Kapazitätsabfall während des Zyklus stellen jedoch eine Herausforderung für praktische Anwendungen dar. In dieser Studie wird ein Polymerelektrolyt (PPM-PE) vorgestellt, der diese Probleme wirksam unterdrückt, indem er eine stabile Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) bildet und die Zersetzung des Elektrolyten reduziert.
Verbesserte mechanische Eigenschaften: Das PPM-PE, das von der Phasentrennungsstruktur von Libellenflügeln inspiriert ist, weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf, darunter eine hohe Bruchdehnung und Bruchfestigkeit. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, die Volumenausdehnung von _{SiOx-Elektroden} zu vermindern und die strukturelle Integrität während des Zyklus zu erhalten.
Potenzial für praktische Anwendungen: Das PPM-PE ermöglicht signifikante Verbesserungen der Zyklen- und Ratenleistung in Knopfzellen und Soft-Package-Vollzellen mit Elektroden auf SiOx-Basis und zeigt damit sein Potenzial für den praktischen Einsatz in LIBs mit hoher Energiedichte.

Innovatives Design und Mechanismen

Von Libellenflügeln inspirierte Mikrostruktur: Das PPM-PE ist mit einer Mikrophasentrennungsstruktur ausgestattet, die die starre Flügeladerphase und die weiche Flügelmembranphase von Libellenflügeln nachahmt. Diese Struktur wird durch In-situ-Polymerisation von bicyclischen Phosphatester- und Urethanmotiv-haltigen Monomeren (PU) und Methylmethacrylat (MMA) in einem flüssigen organischen Elektrolyten erreicht. Die PU-Segmente und MMA-Motive bilden ein 3D-Polymernetzwerk, das Spannungen abpuffert und die SEI stabilisiert.
Hervorragende mechanische Eigenschaften: Die PPM-PE-Filme weisen eine Bruchdehnung von 161 % und eine Bruchfestigkeit von 1,58 MPa auf und übertreffen damit andere Polymerelektrolyte deutlich. Diese mechanische Robustheit trägt dazu bei, den Volumenänderungen von _{SiOx-Elektroden} zu widerstehen und eine stabile SEI während der Zyklen aufrechtzuerhalten.
Verbesserte elektrochemische Leistung: Das PPM-PE weist eine hohe Lithium-Übertragungszahl (^tLi+) von 0,57 und eine Oxidationsbeständigkeit von über 5,25 V auf, was zu einer schnelleren elektrochemischen Reaktionskinetik und einer verbesserten Ratenleistung beiträgt. Die polymerverstärkte SEI-Schicht, die reich an LiF ist, stabilisiert die Elektrodenstruktur weiter und reduziert die Elektrolytzersetzung.

Anwendungen und Zukunftsaussichten

LIBs mit hoher Energiedichte: Das PPM-PE zeigt eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung in _{SiOx-basierten} Halbzellen und Soft-Package-Vollzellen, mit einer Kapazitätserhaltung von 88,14% nach 148 Zyklen bei einer Rate von 1C und 80,81% nach 250 Zyklen bei einer Rate von 0,4C. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von PPM-PE für praktische Anwendungen in LIBs mit hoher Energiedichte.
Zukünftige Forschung: Zukünftige Arbeiten werden sich auf die weitere Optimierung des Polymerelektrolyt-Designs konzentrieren, um seine Leistung zu verbessern und seine Anwendung in anderen Arten von Batterien mit hoher Energiedichte zu erforschen. Die von Libellenflügeln inspirierte Designphilosophie könnte auch auf andere Materialien und Batteriesysteme angewendet werden, um deren mechanische und elektrochemische Eigenschaften zu verbessern.

Dieser innovative Polymerelektrolyt, der von der Mikrostruktur von Libellenflügeln inspiriert ist, stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung von Hochleistungsanoden auf _SiOx-Basis für Lithium-Ionen-Batterien dar. Bleiben Sie dran für weitere bahnbrechende Forschungsarbeiten des Teams von Professor Guanglei Cui und Professor Huanrui Zhang, die weiterhin die Grenzen der Energiespeichertechnologie verschieben.

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Originalveröffentlichung

Cizhen Luo, Huanrui Zhang, Chenghao Sun, Xing Chen, Wenjun Zhang, Pengzhou Mu, Gaojie Xu, Rongxian Wu, Zhaolin Lv, Xinhong Zhou, Guanglei Cui; "A Mechanically Robust In-Situ Solidified Polymer Electrolyte for SiOx-Based Anodes Toward High-Energy Lithium Batteries"; Nano-Micro Letters, Volume 17, 2025-5-8

https://www.chemie.de/news/1186710/von-libellenfluegeln-inspiriertes-design-fuer-hochenergetische-lithiumbatterien.html