Das Design könnte langlebigere und leistungsstärkere Lithiumbatterien ermöglichen: Die Verwendung eines neuartigen Elektrolyten könnte fortschrittliche Metallelektroden und höhere Spannungen ermöglichen und so die Kapazität und Lebensdauer erhöhen

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Röntgentomographiebilder, die im Brookhaven National Lab aufgenommen wurden, zeigen das Reißen eines Partikels in einer Elektrode einer Batteriezelle, in der ein herkömmlicher Elektrolyt verwendet wurde (siehe links). Die Forscher fanden heraus, dass die Verwendung eines neuartigen Elektrolyten den größten Teil dieser Rissbildung verhinderte (rechts).
Credits: Bild: mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Abstract:
Lithium-Ionen-Batterien haben die leichten elektronischen Geräte ermöglicht, deren Tragbarkeit wir heute für selbstverständlich halten, sowie die rasche Ausweitung der Produktion von Elektrofahrzeugen. Forscher auf der ganzen Welt stoßen jedoch weiterhin an Grenzen, um immer größere Energiedichten zu erreichen - die Energiemenge, die in einer bestimmten Materialmasse gespeichert werden kann -, um die Leistung bestehender Geräte zu verbessern und möglicherweise neue Anwendungen wie z. B. lange zu ermöglichen -bereich Drohnen und Roboter.

Das Design könnte länger anhaltende, leistungsstärkere Lithiumbatterien ermöglichen: Die Verwendung eines neuartigen Elektrolyten könnte fortschrittliche Metallelektroden und höhere Spannungen ermöglichen, wodurch die Kapazität und die Lebensdauer erhöht werden

Cambridge, MA | Veröffentlicht am 26. März 2021

Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Metallelektroden anstelle des herkömmlichen Graphits mit einer höheren Ladespannung in der Kathode. Diese Bemühungen wurden jedoch durch eine Vielzahl unerwünschter chemischer Reaktionen behindert, die mit dem Elektrolyten stattfinden, der die Elektroden trennt. Jetzt hat ein Forscherteam am MIT und anderswo einen neuartigen Elektrolyten gefunden, der diese Probleme überwindet und einen signifikanten Sprung in der Leistung pro Gewicht von Batterien der nächsten Generation ermöglichen könnte, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen.

Über die Forschung wird heute in der Zeitschrift Nature Energy in einem Artikel der MIT-Professoren Ju Li, Yang Shao-Horn und Jeremiah Johnson berichtet. Postdoc Weijiang Xue; und 19 weitere am MIT, zwei nationalen Laboratorien und anderswo. Die Forscher sagen, dass der Befund es Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen könnte, die jetzt typischerweise etwa 260 Wattstunden pro Kilogramm speichern können, etwa 420 Wattstunden pro Kilogramm zu speichern. Dies würde zu größeren Reichweiten für Elektroautos und zu länger anhaltenden Änderungen an tragbaren Geräten führen.

Die Grundrohstoffe für diesen Elektrolyten sind kostengünstig (obwohl eine der Zwischenverbindungen immer noch teuer ist, weil sie nur begrenzt verwendet wird), und das Verfahren zu ihrer Herstellung ist einfach. Dieser Fortschritt könnte also relativ schnell umgesetzt werden, sagen die Forscher.

Der Elektrolyt selbst ist nicht neu, erklärt Johnson, Professor für Chemie. Es wurde vor einigen Jahren von einigen Mitgliedern dieses Forschungsteams entwickelt, jedoch für eine andere Anwendung. Es war Teil der Bemühungen, Lithium-Luft-Batterien zu entwickeln, die als ultimative Langzeitlösung zur Maximierung der Batterieenergiedichte angesehen werden. Es gibt jedoch noch viele Hindernisse für die Entwicklung solcher Batterien, und diese Technologie kann noch Jahre entfernt sein. In der Zwischenzeit stellt sich heraus, dass das Aufbringen dieses Elektrolyten auf Lithium-Ionen-Batterien mit Metallelektroden viel schneller erreicht werden kann.

Die neue Anwendung dieses Elektrodenmaterials wurde "etwas zufällig" gefunden, nachdem es vor einigen Jahren von Shao-Horn, Johnson und anderen in einem Kooperationsprojekt zur Entwicklung von Lithium-Luft-Batterien entwickelt worden war.

"Es gibt immer noch nichts, was eine gute wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterie erlaubt", sagt Johnson. "Wir haben jedoch diese organischen Moleküle entwickelt, von denen wir gehofft haben, dass sie im Vergleich zu den vorhandenen flüssigen Elektrolyten, die verwendet werden, Stabilität verleihen." Sie entwickelten drei verschiedene Formulierungen auf Sulfonamidbasis, von denen sie fanden, dass sie gegenüber Oxidation und anderen Zersetzungseffekten ziemlich beständig waren. In Zusammenarbeit mit Lis Gruppe beschloss Postdoc Xue, dieses Material stattdessen mit mehr Standardkathoden zu testen.

Die Art der Batterieelektrode, die sie jetzt mit diesem Elektrolyten verwendet haben, einem Nickeloxid, das etwas Kobalt und Mangan enthält, "ist das Arbeitstier der heutigen Elektrofahrzeugindustrie", sagt Li, Professor für Nuklearwissenschaft und -technik sowie Materialwissenschaft und -technik .

Da sich das Elektrodenmaterial beim Laden und Entladen anisotrop ausdehnt und zusammenzieht, kann dies bei Verwendung mit herkömmlichen Elektrolyten zu Rissen und Leistungseinbußen führen. In Experimenten in Zusammenarbeit mit dem Brookhaven National Laboratory stellten die Forscher jedoch fest, dass die Verwendung des neuen Elektrolyten diese Spannungsrisskorrosionsrissverschlechterungen drastisch reduzierte.

Das Problem bestand darin, dass sich die Metallatome in der Legierung dazu neigten, sich im flüssigen Elektrolyten aufzulösen, Masse zu verlieren und zum Reißen des Metalls zu führen. Im Gegensatz dazu ist der neue Elektrolyt gegen eine solche Auflösung äußerst beständig. Wenn man sich die Daten aus den Brookhaven-Tests ansieht, sagt Li, es sei "schockierend zu sehen, dass all diese Risse verschwunden sind, wenn man nur den Elektrolyten wechselt." Sie fanden heraus, dass die Morphologie des Elektrolytmaterials viel robuster ist und die Übergangsmetalle in diesen neuen Elektrolyten „einfach nicht so löslich sind“.

Das sei eine überraschende Kombination gewesen, sagt er, denn das Material lasse Lithiumionen immer noch leicht durch - den wesentlichen Mechanismus, durch den Batterien geladen und entladen werden - und blockiere gleichzeitig den Eintritt der anderen Kationen, die als Übergangsmetalle bekannt sind. Die Ansammlung unerwünschter Verbindungen auf der Elektrodenoberfläche nach vielen Lade- / Entladezyklen war im Vergleich zum Standardelektrolyten mehr als verzehnfacht.

„Der Elektrolyt ist chemisch beständig gegen Oxidation von hochenergetischen nickelreichen Materialien, verhindert Partikelbrüche und stabilisiert die positive Elektrode während des Zyklus“, sagt Shao-Horn, Professor für Maschinenbau sowie Materialwissenschaften und -technik. „Der Elektrolyt ermöglicht auch ein stabiles und reversibles Abisolieren und Plattieren von Lithiummetall. Dies ist ein wichtiger Schritt, um wiederaufladbare Lithiummetallbatterien mit einer Energie zu ermöglichen, die doppelt so hoch ist wie die der modernen Lithiumionenbatterien. Dieser Befund wird die weitere Elektrolytsuche und das Design von flüssigen Elektrolyten für Lithium-Metall-Batterien katalysieren, die mit denen von Festkörperelektrolyten konkurrieren. “

Der nächste Schritt besteht darin, die Produktion so zu skalieren, dass sie erschwinglich ist. "Wir machen es in einer sehr einfachen Reaktion aus leicht verfügbaren kommerziellen Ausgangsmaterialien", sagt Johnson. Derzeit ist die zur Synthese des Elektrolyten verwendete Vorläuferverbindung teuer, aber er sagt: „Ich denke, wenn wir der Welt zeigen können, dass dies ein großartiger Elektrolyt für die Unterhaltungselektronik ist, wird die Motivation zur weiteren Skalierung dazu beitragen, den Preis zu senken . ”

Da dies im Wesentlichen ein „Drop-in“ -Ersatz für einen vorhandenen Elektrolyten ist und keine Neugestaltung des gesamten Batteriesystems erfordert, könnte es laut Li schnell implementiert und innerhalb weniger Jahre kommerzialisiert werden. „Es gibt keine teuren Elemente, es ist nur Kohlenstoff und Fluor. Es ist also nicht durch Ressourcen begrenzt, es ist nur der Prozess “, sagt er.

Die Forschung wurde vom US-Energieministerium und der National Science Foundation unterstützt und nutzte Einrichtungen des Brookhaven National Laboratory und des Argonne National Laboratory.

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