Sicherheitsprobleme im Zusammenhang mit brennbaren Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) bleiben eine große Herausforderung für deren erweiterte Anwendung. Die Verwendung von nicht brennbaren Elektrolyten auf Phosphatbasis hat sich bei der Hemmung der Verbrennung von LIBs bewährt. Die starke Wechselwirkung zwischen Li+ und Phosphat führt jedoch zu einer dominanten Festelektrolyt-Interphase (SEI) mit begrenzter elektronischer Abschirmung, was bei Verwendung von Elektrolyten mit hohem Phosphatgehalt zu einer schlechten Li+-Interkalation an der Graphitanode (Gr) führt.
Eine Studie zur Lösung dieses Problems wurde von Prof. Jia Xie und Ph.D. durchgeführt. Ziqi Zeng von der School of Electrical and Electronic Engineering der Huazhong University of Science and Technology.
„Um dieses Problem zu mildern und die Li+-Insertion zu verbessern, schlagen wir eine ‚In-N-Out‘-Strategie vor, um Phosphat ‚nicht-koordinativ‘ zu machen. Durch den Einsatz einer Kombination aus stark polaren Lösungsmitteln für einen ‚Blockeffekt‘ und schwach polaren Lösungsmitteln für a „Drag-Effekt“, die Li+-Phosphat-Wechselwirkung wird reduziert.“
„Dadurch verbleibt Phosphat in der Elektrolytphase („In“), wodurch sein Einfluss auf die Inkompatibilität mit der Gr-Elektrode („Out“) minimiert wird. Im entworfenen Elektrolyten, selbst wenn der TEP-Gehalt mehr als 60 Gew.-% erreicht. „Die Gr-Anode erreicht immer noch eine reversible Li+-Deinterkalationsreaktion. Unterdessen verbessert die Einführung stark polarer Lösungsmittel die Dissoziation von Lithiumsalzen, wodurch der Elektrolyt eine ausgezeichnete Ionenleitfähigkeit aufweist (5,94 mS/cm bei 30 ⁰C)“, sagt Xie.
Daraus ergeben sich einige Implikationen für die Entwicklung nicht brennbarer Elektrolyte: 1) Die Koordinationsfähigkeit der Lösungsmittel mit Li+ könnte durch die „In-N-Out“-Strategie angepasst werden; 2) Der „Drag-Effekt“ ist eine universelle Wechselwirkung zwischen schwach polaren Lösungsmitteln und TEP, die mehr Möglichkeiten für die Entwicklung nicht brennbarer Elektrolyte bietet.
Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft China Chemie.
Mehr Informationen:
Mengchuang Liu et al., „In-N-out“-Design, das nicht brennbare und hochleitfähige Elektrolyte auf Triethylphosphatbasis mit hohem Gehalt für Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht, Wissenschaft China Chemie (2023). DOI: 10.1007/s11426-023-1803-x