Ein Team von Wissenschaftlern der Stanford University hat einen neuen Elektrolyten auf Lithiumbasis erfunden, der — neben vielen weiteren aktuell verfolgten Ansätzen, die Batterietechnologie zu verbessern — den Weg für die nächste Generation batteriebetriebener Elektrofahrzeuge ebnen könnte. In einer in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlichten Studie zeigen die Forscher, wie ihr neuartiges Elektrolytdesign die Leistung von Lithiummetallbatterien steigern und das Problem der Dendriten-Bildung lösen kann.
„Die meisten Elektroautos werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, die sich nun ihrer theoretischen Grenze für die Energiedichte nähern“, sagt der Co-Autor der Studie, Yi Cui, Professor für Materialwissenschaften und -technik sowie für Photonenwissenschaften am SLAC National Accelerator Laboratory. „Unsere Studie konzentrierte sich daher auf Lithium-Metall-Batterien, die leichter als Lithium-Ionen-Batterien sind und möglicherweise mehr Energie pro Gewichts- und Volumeneinheit liefern können.“
Lithium-Ionen-Batterien, die in Smartphones bis hin zu Elektroautos verwendet werden, haben zwei Elektroden – eine positiv geladene Kathode mit Lithium und eine negativ geladene Anode, die normalerweise aus Graphit besteht. Eine Elektrolytlösung ermöglicht es Lithiumionen, zwischen der Anode und der Kathode hin und her zu pendeln, wenn die Batterie verwendet und wenn sie wieder aufgeladen wird. Eine Lithium-Metall-Batterie kann etwa doppelt so viel Strom pro Kilogramm aufnehmen wie eine Lithium-Ionen-Batterie. Lithium-Metall-Batterien ersetzen zudem die Graphitanode durch Lithiummetall, das deutlich mehr Energie speichern kann.
„Lithium-Metall-Batterien sind sehr vielversprechend für Elektroautos, bei denen Gewicht und Volumen einer Batterie ein großes Problem darstellen können“, sagt der Co-Autor der Studie, Zhenan Bao, der K.K. Lee Professor an der School of Engineering. „Während des Betriebs reagiert die Lithiummetallanode jedoch mit dem flüssigen Elektrolyten. Dies führt zum Wachstum von Lithium-Mikrostrukturen, die als Dendriten bezeichnet werden, auf der Oberfläche der Anode, was dazu führen kann, dass die Batterie Feuer fängt und ausfällt.“ Für dieses Problem der Lithium-Metall-Batterie suchen Forscher weltweit und seit Jahren eine Lösung. Die Wissenschaftler der Standford University haben nun einen neuen Ansatz hierzu entwickelt.
Löst Fluor das Dendriten-Problem?
„Der Elektrolyt war die Achillesferse von Lithium-Metall-Batterien“, sagte der Co-Hauptautor Zhiao Yu, ein Doktorand in Chemie. „In unserer Studie verwenden wir organische Chemie, um neue, stabile Elektrolyte für diese Batterien zu entwerfen und herzustellen.“ Für die Studie untersuchte das Team, ob sie die Stabilitätsprobleme mit einem handelsüblichen flüssigen Elektrolyten lösen können. „Wir stellten die Hypothese auf, dass die Zugabe von Fluoratomen zum Elektrolytmolekül die Flüssigkeit stabiler machen würde“, sagte Yu. „Fluor ist ein weit verbreitetes Element in Elektrolyten für Lithiumbatterien. Wir haben seine Fähigkeit, Elektronen anzuziehen, genutzt, um ein neues Molekül zu erzeugen, mit dem die Lithiummetallanode im Elektrolyten gut funktioniert.“
Das Ergebnis war eine neuartige synthetische Verbindung, abgekürzt FDMB, die leicht in großen Mengen hergestellt werden könne, so die Forscher: „Elektrolyt-Designs werden sehr exotisch“, sagt Bao. „Einige haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt, sind aber sehr teuer in der Herstellung. Das FDMB-Molekül, das Zhiao entwickelt hat, ist einfach in großen Mengen herzustellen und recht billig.“
Das Stanford-Team testete den neuen Elektrolyten in einer Lithium-Metall-Batterie. Die Ergebnisse seien sehr positiv ausgefallen: Die experimentelle Batterie behielt nach 420 Lade- und Entladezyklen 90 Prozent ihrer ursprünglichen Ladung. In Labors funktionieren typische Lithiummetallbatterien bislang üblicherweise nach etwa 30 Zyklen schon nicht mehr.
„Eine unglaubliche Leistung“
Die Forscher haben auch gemessen, wie effizient Lithiumionen während des Ladens und Entladens zwischen Anode und Kathode übertragen werden, eine Eigenschaft, die als Coulomb-Effizienz bekannt ist. „Wenn Sie 1000 Lithiumionen aufladen, wie viele erhalten Sie nach der Entladung zurück?“, so Cui. „Idealerweise möchten Sie 1000 von 1000 für einen Coulomb-Wirkungsgrad von 100 Prozent. Um wirtschaftlich rentabel zu sein, muss eine Batteriezelle einen Coulomb-Wirkungsgrad von mindestens 99,9 Prozent aufweisen. In unserer Studie erhielten wir 99,52 Prozent in den halben Zellen und 99,98 Prozent in den vollen Zellen – eine unglaubliche Leistung.“
Neben einer längeren Lebensdauer und einer besseren Stabilität soll der FDMB-Elektrolyt auch weitaus weniger brennbar als herkömmliche Elektrolyte sein. Die Forscher zeigen sich trotz ihres Erfolgs bescheiden: „Unsere Studie bietet im Wesentlichen ein Konstruktionsprinzip, mit dem Menschen bessere Elektrolyte entwickeln können“, so Bao. „Wir haben nur ein Beispiel gezeigt, aber es gibt viele andere Möglichkeiten.“
Quelle: Battery News — Optimierter Elektrolyt für Lithium-Metall-Batterien // Saur Energy — New Battery Electrolyte That can Boost Performance of EVs
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