Ein neuer Elektrolyt zur Herstellung besserer Lithium-Ionen-Batterien (2024)

Von Smartphones bis hin zu Elektroautos haben Lithium-Ionen-Batterien die Art und Weise verändert, wie wir unser Leben mit Energie versorgen. Und im Bestreben, weltweit Netto-Null-Kohlenstoff-Emissionen zu erreichen, werden sie ein wesentlicher Bestandteil der Dekarbonisierung von Verkehrsnetzen und der Umstellung auf erneuerbare Energien sein.

Um Batterien mit einem höheren Wert herzustellenEnergiedichte„Das würde bedeuten, dass beispielsweise ein Elektroauto eine längere Strecke zurücklegen könnte, bevor es aufgeladen werden muss.“ Forscher an der NTNU untersuchen die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Schlüsselkomponenten der Batterie.

Silizium gegen Graphit austauschen

Batterien speichern Energie, indem sie geladene Teilchen zwischen zwei negativ geladenen Elektroden bewegenAnodeund eine positiv geladene Kathode – durch eine Flüssigkeit, die als Elektrolyt bekannt ist. InLithium-IonenBei (Li-Ionen-)Batterien wandern Lithium-Ionen beim Laden der Batterie von der Kathode zur Anode und werden in der Anode gespeichert. Wenn die Batterie entladen ist, wandern die Ionen zurück zur Kathode und erzeugen dort eine

Die meisten vorhandenen Li-Ionen-Batterien verwenden Graphit als Anode. Aber Graphit gegen austauschenSiliziumkönnte die Energiedichte deutlich erhöhen.

„In Lithium-Ionen-Batterien möchte man Anoden- und Kathodenmaterialien haben, die so viel Lithium wie möglich speichern können“, sagt Ann Mari Svensson, Professorin am Department of Materials Science and Engineering der NTNU. „Silizium kann riesige Mengen speichern.“

Bekämpfung der Entflammbarkeit

Doch Li-Ionen-Akkus stehen in dem Ruf, leicht entflammbar zu sein. Der wichtigste Weg, dem entgegenzuwirken, ist der Austausch des Elektrolyten – der entscheidenden Komponente, durch die sich Ionen zwischen den Elektroden bewegen.

Svensson und Kollegen untersuchen den Einsatz vonIonische Flüssigkeiten„Im Wesentlichen Salze, die einen so niedrigen Schmelzpunkt haben, dass sie flüssig sind.“Zimmertemperatur?um Batterien mit einer Siliziumelektrode sicherer zu machen. „Die derzeitigen flüssigen Elektrolyte sind mitverantwortlich für thermische Ereignisse“, sagt Svensson. „Wenn man sie beispielsweise durch neue ionische Flüssigkeiten ersetzen kann, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass die Batterie Feuer fängt.“

In der veröffentlichten ArbeitZeitschrift der Electrochemical Societyuntersuchten Svensson und Kollegen die Leistung von Batterien mit Silikonanoden und ionischen Flüssigkeitselektrolyten bei hohen Temperaturen.

Eine Erhöhung der Batterietemperatur hilft

Eine Erhöhung der Temperatur der Batterie erhöht die Leitfähigkeit der Lithiumionen im Elektrolyten und überwindet damit die Tatsache, dass ionische Flüssigkeiten bei Raumtemperatur dazu neigen, Lithiumionen nicht sehr gut zu leiten. Der Nachweis, dass diese Batterien bei erhöhten Temperaturen funktionieren, könnte auch den Betrieb großer Batteriepakete, die zur Überhitzung neigen, vereinfachen.

„Normalerweise muss man den Akku während des Betriebs kühlen. Das könnte theoretisch vermieden werden“, sagt Svensson.

Im Laufe ihrer Forschung kam das Team zu einigen überraschenden Ergebnissen. „Wir hatten diese ionischen Flüssigkeiten zuvor bei Raumtemperatur untersucht, aber als wir sie auf sechzig Grad erhitzten, war die beste nicht mehr die beste“, sagt Svensson. „Das Ranking war ganz anders.“

„Einer von ihnen hatte eine wirklich hervorragende Verbesserung der Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen“, fügte sie hinzu.

Ein dünner Film auf Silizium ist der Schlüssel

Ein treibender Faktor dafür, dass einige ionische Flüssigelektrolyte besser funktionieren als andere, könnte in einem Schlüsselmerkmal von Li-Ionen-Batterien mit Siliziumelektroden liegen: einem dünnen Film, der sich über dem Silizium bildet. Wenn Sie mit dem Laden einer Batterie beginnen, wandert Lithium von der Kathode zur Anode. Doch dabei beginnt sich der Elektrolyt zu zersetzen und bildet auf der Oberfläche der Anode einen dünnen Film, eine sogenannte Passivierungsschicht.

„Sobald sie die Oberfläche wirklich bedecken, hört die Bildung dieser Schichten auf“, sagt Svensson. „Es ist sehr wichtig, dass diese intakt sind, denn sonst würde man den Großteil des Elektrolyten komplett zersetzen.“

Bei den ionischen Flüssigkeitselektrolyten, die bei höheren Temperaturen eine gute Leistung zeigten, sahen die Forscher Hinweise auf eine stärkere und verbesserte PassivierungsschichtLithiumIonenmobilität im Elektrolyten.

Noch mehr Arbeit vor der Kommerzialisierung

Svensson und Kollegen verwenden im Nanolab der NTNU die sogenannte Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), um die Filme zu untersuchen. „Um diese Filme zu identifizieren, braucht man eine ziemlich fortschrittliche Ausrüstung. Sie können nur wenige Nanometer dick sein“, sagt Svensson.

Nachdem sie gezeigt haben, dass ionische Flüssigkeiten eine Siliziumanode zu einer realistischen Option für Li-Ionen-Batterien machen können, arbeiten Svensson und ihre Kollegen nun daran, zu demonstrieren, wie eine ionische Flüssigkeit funktioniertElektrolytwürde auch mit einem neuen Kathodentyp funktionieren.

Es sind noch viele Hürden zu überwinden, bevor solche Batterien kommerziell erhältlich sein können. Einerseits werden ionische Flüssigkeiten derzeit nicht in Massenproduktion hergestellt, die für die industrielle Produktion von Batterien, die sie verwenden, erforderlich wären. Und während die Forschung hinsichtlich ihrer kurzfristigen Leistung vielversprechende Ergebnisse gezeigt hat, bleibt ihre langfristige Leistung – über die erwartete Lebensdauer einer Batterie in der realen Welt – abzuwarten.

„Das ist eine ziemlich große Herausforderung“, sagt Svensson.

Mehr Informationen:Daniel Tevik Rogstad et al., Hochtemperaturleistung ausgewählter ionischer Flüssigkeiten als Elektrolyte für Siliziumanoden in Li-Ionen-Batterien,Zeitschrift der Electrochemical Society(2022).DOI: 10.1149/1945-7111/ac9f78