Bei Lithium-Ionen-Batterien, die üblicherweise in Elektrofahrzeugen verwendet werden, werden dem Elektrolyten nicht brennbare Zusätze hinzugefügt, um die Möglichkeit einer Zündung vorzubereiten. ETRI-Forschern gelang es zum ersten Mal weltweit, ein flammhemmendes Additiv auf Fluorsulfatbasis zu entwickeln. Dies wird voraussichtlich eine große Hilfe bei der Realisierung von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Sicherheit und der Überwindung des Brandrisikos von Elektrofahrzeugen sein.
Das Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) gab bekannt, dass es ein Flammschutzadditiv auf Fluorsulfatbasis mit deutlich verbesserten Flammschutzeigenschaften, elektrochemischer Stabilität und Zellleistung im Vergleich zu Triphenylphosphat (TPP), einem weithin als konventionell bekannten Phosphor-Flammschutzmittel, entwickelt hat Flammschutzmittel (noch nicht kommerzialisiert).
Die Lithium-Ionen-Batterie besteht aus vier Komponenten: einem Kathodenmaterial, einem Anodenmaterial, einem Elektrolyten und einem Separator. Lithiumionen von der Kathode bewegen sich zur Anode, um mit Eingangsenergie aufgeladen zu werden, und bewegen sich dann von der Anode zur Kathode, um Energie freizusetzen.
Der Elektrolyt ist ein Medium, das den Lithiumionen in der Batterie hilft, sich reibungslos zu bewegen, und der Separator dient dazu, nur die Lithiumionen durchzulassen, und verhindert den Kontakt zwischen Kathode und Anode. Dies liegt daran, dass aufgrund einer starken chemischen Reaktion ein Brand entstehen kann, wenn Kathode und Anode in direkten Kontakt kommen.
Elektrolytzusatz ist eine Substanz, die Elektrolyten in geringer Menge zugesetzt wird. Es ist eine Schlüsselsubstanz, die die elektrochemische Stabilität und Leistung von Sekundärbatterien verbessert. Vorhandene herkömmliche flammhemmende Phosphoradditive hatten flammhemmende Eigenschaften, aber es war eine große Menge erforderlich.
Außerdem tritt zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten auch der Grenzflächenwiderstand auf, eine chemische Reaktion, die an der Grenzfläche auftritt, an der zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in Kontakt kommen. Wenn dieser Widerstand zunimmt, treten aufgrund einer Abnahme der Ionenleitfähigkeit Probleme wie eine Verschlechterung der Leistung der Batterie und eine Verkürzung der Lebensdauer auf. Eine breitere Verwendung von Additiven hatte viele Einschränkungen in ihren praktischen Bereichen.
Dementsprechend analysierte das ETRI-Forschungsteam mehr als 10 Arten von im Handel erhältlichen Phosphor-Flammschutzmitteln durch elektrochemische Experimente, synthetisierte zum ersten Mal ein Flammschutzmittel-Additiv auf Fluorsulfatbasis und verbesserte die Mängel herkömmlicher Phosphor-Flammschutzmittel.
Das Forschungsteam implementierte das entwickelte flammhemmende Additiv für die Zelle mit einer Lithium-Nickel-, Mangan- und Kobalt-Übergangsmetalloxid-Kathode (Nickelgehalt > 90 %) und einer Lithium-Metall-Anode. Durch diese Tests wurde die Leistung des Additivs auf Fluorsulfatbasis mit verbesserter Batterieleistung bei gleichzeitiger Verbesserung der flammhemmenden Eigenschaften verifiziert.
Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die flammhemmenden Eigenschaften um das 2,3-fache und die Leistung der Batterie um 160 % verbessert wurden, verglichen mit dem Elektrolyten, auf den das herkömmliche flammhemmende Additiv aufgebracht wurde. Das Forschungsteam erklärte, dass bei Anwendung des Flammschutzmittels auf Fluorsulfatbasis die Grenzflächenreaktion zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten minimiert wurde, was zu einer signifikanten Abnahme des Grenzflächenwiderstands führte.
Darüber hinaus hat dieses Flammschutzadditiv auf Fluorsulfatbasis den Vorteil, dass es leicht zu kommerzialisieren ist, da es bereits mit einer geringen Menge an entwickeltem Additiv ohne eine zusätzliche Prozessänderung im bestehenden Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann.
Das Forschungsteam identifizierte die Eigenschaften von Additiven auf Fluorsulfatbasis durch verschiedene elektrochemische Experimente und verifizierte, warum dieser Wirkmechanismus möglich ist.
Dieser Erfolg wurde veröffentlicht in Zeitschrift für Materialchemie A.
Jimin Oh, ein leitender Forscher am Intelligent Sensor Lab, sagte: „Wir wollten die Beschränkungen bestehender Flammschutzadditive überwinden und durch diese Forschung an neuartigen Flammschutzadditiven hochsichere Lithium-Ionen-Batterien realisieren. In Zukunft werden wir werden Anstrengungen unternehmen, um zur Kommerzialisierung von Flammschutzadditiven auf Fluorsulfatbasis für praktische Elektrofahrzeugzellen beizutragen.“
Das Forschungsteam des ETRI hat einen Plan entwickelt, um weitere Studien zur Anwendung eines flammhemmenden Zusatzmaterials in Lithium-Metalloxid-Anoden und Lithium-Metall-Kathoden in Schwarzoxid-Elektroden und Silizium-Elektrodenkathoden durchzuführen.
Mehr Informationen:
Jimin Oh et al, Ein kompromissloser flammhemmender Elektrolytzusatz auf Fluorsulfatbasis für Hochenergie-Lithiumbatterien, Zeitschrift für Materialchemie A (2022). DOI: 10.1039/D2TA05854E
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