Wintertaugliche Lithiumbatterien: Wissenschaftler nutzen "Polaritätskontrast"-Elektrolytstrategie, um extreme Kälte zu überlisten

In einer kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Studie wurde eine "Polaritätskontrast"-Elektrolytentwurfsstrategie vorgeschlagen, die die kinetischen Eigenschaften und die elektrochemische Stabilität von Lithium-Metall-Batterien unter extremen Niedrigtemperaturbedingungen wirksam verbessern kann.

Die Studie unter der Leitung von Profs. CHEN Zhongwei, LUO Dan und WANG Dongdong vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitete Studie lieferte ein neues Paradigma für die Entwicklung von Elektrolyten zur Konstruktion von kälteresistenten, anionendominierten Solvatationsstrukturen.

Unter Tieftemperaturbedingungen leiden Lithium-Metall-Batterien unter einem trägen Ionentransport in Elektrolyten, einer verzögerten ^{Li+-Desolvationskinetik} und verstärkten Grenzflächen-Nebenreaktionen. Diese Probleme führen zu einem starken Kapazitätsabbau und einer schlechten Zyklenstabilität, was ihre Anwendung in extremen Umgebungen behindert.

Um diese Probleme zu lösen, schlug das Forschungsteam eine "Polaritäts-Kontrast"-Elektrolyt-Designstrategie vor. Mit dieser Strategie wird eine stabile, anionendominierte Solvatationsstruktur bei niedrigen Temperaturen aufgebaut, indem die Ion-Dipol-Wechselwirkungen zwischen Anionen und Lösungsmitteln moduliert werden.

Die Forscher identifizierten ein "Polaritätskontrast"-Lösungsmittelpaar: Dimethoxymethan (DMM), das die niedrigste ESPmax aufweist, und Fluorethylencarbonat (FEC), das die höchste ESPmax hat.

Insbesondere die geschwächte Wechselwirkung zwischen DMM und ^FSI- bei niedrigen Temperaturen erleichtert den Eintritt von Anionen in die ^{Li+-Solvatationshülle}. In der Zwischenzeit verankert FEC ^FSI- durch verstärkte Ionen-Dipol-Wechselwirkungen und schafft so eine stabile, von Anionen dominierte Solvatationsumgebung unter kryogenen Bedingungen. Darüber hinaus fördern die verstärkten Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen DMM und FEC die ^{Li+-Desolvationskinetik}.

Durch die präzise Abstimmung von Ionen-Dipol- und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen erreichte das Team einen Anionenkoordinationsübergang bei niedrigen Temperaturen und stellte damit ein neuartiges Konstruktionsprinzip für Elektrolyte in Lithium-Metall-Batterien bei niedrigen Temperaturen bereit.

Mit dieser Strategie induziert der Elektrolyt die Bildung einer LiF-reichen Festelektrolyt-Zwischenphase, die eine gleichmäßige Lithiumabscheidung und ein hochgradig reversibles Ablagerungs-/Abstreifverhalten bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.

Die Li||SPAN-Vollzelle behielt 80% ihrer Kapazität nach 150 Zyklen bei -40 ℃, selbst bei einer hohen Flächenkapazität von 4,5 mAh/cm². Darüber hinaus zeigte die Ah-Level-Pouch-Zelle eine stabile Zyklusdauer von 50 Zyklen bei -20 ℃, was eine gute Tieftemperatur-Zyklenstabilität und Kapazitätserhaltung belegt.

"Unsere Studie offenbart nicht nur einen neuartigen Mechanismus, der der dynamischen Entwicklung von Solvatationsstrukturen unter Tieftemperaturbedingungen zugrunde liegt, sondern bietet auch neue theoretische Grundlagen und Forschungsstrategien für die Entwicklung von Elektrolyten für Lithium-Metall-Batterien bei niedrigen Temperaturen", sagte CHEN.