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Ein robuster Gelelektrolyt schützt die Lithiummetallanoden für sicherere und effizientere wiederaufladbare Batterien.
Das Bestreben, den Ausstoß von Treibhausgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu reduzieren, hat den Drang nach sicherer und effektiver wiederaufladbarer Batterietechnologie entfacht. Zu den vielversprechendsten dieser wiederaufladbaren oder sekundären Batterietechnologien zählen Lithiumbatterien.
Lithiummetall wird oft als „ultimatives Material“ für die Herstellung von Anoden angepriesen, den negativen elektrischen Anschlüssen, die in Hochenergie-Sekundärbatterien der nächsten Generation zu finden sind. Doch mit diesem Material sind Probleme verbunden, die seine langfristige Verwendung einschränken und sogar die Sicherheit der Batterien, in denen es verwendet wird, gefährden.
Neue Forschungsergebnisse in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe Das von Ryota Tamate und Kei Nishikawa vom Center for Advanced Battery Collaboration am National Institute for Material Science, Japan, verfasste Projekt schlägt einen neuen Gelelektrolyten vor, der, wenn er auf eine Lithium-Metallanode aufgetragen wird, um eine künstliche Schutzschicht zu bilden, die Aufladung beschleunigen und beschleunigen könnte Entladestabilität von Lithium-Metall-Zellen. Dieser Prozess wird als „Cycling“ bezeichnet und eine Verbesserung könnte diese Batterien sicherer und effizienter machen.
Verhinderung der Verschlechterung der Anode
Jeder wiederaufladbare Batterietyp hat eine Zyklenlebensdauer, die angibt, wie oft er geladen und entladen werden kann. Während der Entladungsphase bewegen sich negativ geladene Elektronen durch einen Kreislauf von der Anode zur Kathode und wandeln dabei chemische Energie in elektrische Energie um, während sich positive Ionen durch einen Elektrolyten bewegen, der die beiden elektrischen Anschlüsse trennt.
Während der Ladephase wandern die Elektronen von der Kathode zurück zur Anode und wandeln dabei elektrische Energie wieder in chemische Energie um. Dies ist jedoch kein vollständiger Reset der Batterie und belastet die Anode.
„Die hohe Reaktivität von Lithiummetall führt bekanntermaßen zum Wachstum von Lithiumdendriten und zur Bildung toten Lithiums während des Lade- und Entladevorgangs, was Bedenken hinsichtlich der Sicherheit und der Batterielebensdauer aufkommen lässt“, sagte Nishikawa. „Aus diesem Grund sind Lithium-Sekundärbatterien mit Lithium-Metall-Anoden bisher nicht weit verbreitet.“
Nishikawa erklärte, dass die Ergebnisse der aktuellen Studie, bei der ein extrem widerstandsfähiger Gelelektrolyt als künstliche Schutzschicht aufgetragen wird, das Potenzial haben, ein wichtiger technologischer Durchbruch für den Einsatz von Lithium-Metallanoden in wiederaufladbaren Lithiumbatterien der nächsten Generation zu sein.
Tamate beschrieb das vom Team entwickelte Material als einen Polymergelelektrolyten, der aus einem organischen Lösungsmittel besteht, in dem eine hohe Konzentration an Lithiumsalz gelöst ist, das einem wasserstoffgebundenen Polymer zugesetzt wird.
„Dieser Gelelektrolyt zeichnet sich durch eine sehr hohe mechanische Festigkeit und Dehnbarkeit aus und weist eine der höchsten mechanischen Zähigkeiten unter den Polymergelelektrolyten auf, über die bisher berichtet wurde“, fügte Tamate hinzu.
Akkulaufzeit verlängern
Das Team demonstrierte die Optimierung der chemischen Struktur und Zusammensetzung wasserstoffgebundener Polymere und die Bedeutung der organischen Elektrolytzusammensetzung, die das Polymernetzwerk aufbläht.
„Wir haben klargestellt, dass die Kontrolle der konkurrierenden Wechselwirkung und Bindung zwischen den Polymerketten und Elektrolyten – Lösungsmittelmolekülen, Lithiumkationen und Anionen – von erheblicher Bedeutung für die Herstellung mechanisch robuster Gelelektrolyte ist“, sagte Tamate. „Wenn die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Polymeren zu schwach sind, weist der Gelelektrolyt eine gute Dehnbarkeit, aber eine sehr geringe mechanische Festigkeit auf. Wenn andererseits die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Polymeren zu stark sind, kommt es zur Polymeraggregation, was zu einem undurchsichtigen und spröden und damit schlecht dehnbaren Gel führt.
„Die Tatsache, dass nicht nur die Polymerstruktur, sondern auch die Struktur und Zusammensetzung des Elektrolyten die mechanische Festigkeit von Gelelektrolyten wesentlich beeinflusst, mag bei näherem Nachdenken offensichtlich erscheinen, aber soweit ich weiß, gibt es dazu nur wenige Studien.“ „Ich habe diesen Punkt explizit aufgezeigt, was für mich persönlich eine Überraschung war“, fuhr er fort. „Ich denke, das liegt daran, dass sich viele Studien zu Polymergelen auf Hydrogele konzentriert haben, die mit Wasser als Lösungsmittel quellen. Daher wurde die konkurrierende Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Polymer nicht ausreichend beleuchtet.“
Beim Testen des Materials stellte das Team fest, dass der Schutz einer Lithiumanode mit diesem robusten und dehnbaren Gel die Zyklenleistung der Lithiummetallanode im Vergleich zu einem Gelelektrolyten mit geringer Zähigkeit erheblich verbesserte.
„Diese Forschung befindet sich noch im Grundlagenstadium und es gibt viele Hürden und Herausforderungen für die praktische Batterieanwendung“, fügte Tamate hinzu. „Eine Optimierung der Schutzschichtdicke und die Anwendbarkeit auf andere Elektrolytsysteme müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden.“
Da eine breite Palette von Polymermaterialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften als Schutzbeschichtungen für Lithiumanoden vorgeschlagen wurden, betont das Team die Notwendigkeit, den Schutzmechanismus detaillierter zu untersuchen und dabei die mechanischen Faktoren zu berücksichtigen, die die Zyklenleistung von Lithiummetallanoden dominieren .
„Wir hoffen, diese Studien voranzutreiben und Richtlinien für ein optimales Schnittstellendesign hinsichtlich der Schutzschicht auf der Lithiummetallanode zu erhalten, um die soziale Umsetzung dieser Studie zu realisieren“, schloss Nishikawa.
Referenz: Ryota Tamate, Kei Nishikawa et al., Extrem robuste, dehnbare Gelelektrolyte mit starker Interpolymer-Wasserstoffbindung, hergestellt unter Verwendung konzentrierter Elektrolyte zur Stabilisierung von Lithium-Metall-Anoden, Fortgeschrittene Materialien (2023). DOI: 10.1002/adma.202211679
Bildnachweis des Beitrags: John Cameron auf Unsplash
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