Da die Welt in eine nachhaltigere Zukunft schreitet, ist die Entwicklung fortschrittlicher elektrochemischer Geräte, wie wiederaufladbarer Batterien mit höherer Energiedichte und effizienterer galvanischer Abscheidung, immer wichtiger geworden. In den letzten Jahren haben ultrakonzentrierte Elektrolytlösungen, in denen Metallsalze in zwei- bis dreimal höheren Konzentrationen als in einem einzelnen Lösungsmittel gelöst sind, oder Mischungen, in denen Metallsalze in einem einzelnen Lösungsmittel übermäßig gelöst sind, als neue Elektrolytlösungen an Bedeutung gewonnen.
Diese Lösungen bleiben bei Raumtemperatur flüssig und ermöglichen eine hohe Ionenleitung sowie eine hocheffiziente, qualitativ hochwertige Metallfilmbildung. Die physikochemischen oder thermodynamischen Definitionen dieser Flüssigkeiten sind jedoch weiterhin unklar. Darüber hinaus ist die Identifizierung der gelösten Spezies und das Verständnis ihrer Strukturen, die für ihre Verwendung als Elektrolyte entscheidend sind, äußerst schwierig.
Ein Forschungsteam der Universität Niigata unter der Leitung von Prof. Yasuhiro Umebayashi und Dr. Jihae Han sowie Dr. Hikari Watanabe von der Tokyo University of Science hat aus lösungschemischer Perspektive die Mechanismen der spezifischen Lithiumionenleitung in Lithiumsolvat-Ionenflüssigkeiten und hochkonzentrierten Elektrolytlösungen untersucht. Sie fanden einen neuartigen glasbildenden flüssigen Elektrolyten, eine Zweikomponentenmischung aus zyklischem Sulfon und Lithiumsalz, die über einen breiten Zusammensetzungsbereich einen Glasübergang aufweist.
Um die einzigartig hohe Li+-Übertragungszahl in diesen Mischungen zu erklären, wurden außerdem die Speziations- und Dipol-Neuorientierungsdynamik untersucht, um Beweise für die Bildung großer Aggregate in diesen Mischungen zu liefern. Diese Ergebnisse wurden veröffentlicht in Faraday-Diskussionen am 10. Juni 2024.
Die thermophysikalischen Eigenschaften der binären Mischungen aus Lithiumsalz-1,3-Propansulton (PS) und Lithiumsalz-Sulfolan (SL) zeigten, dass nur in einem bestimmten Konzentrationsbereich des Lithiumsalzes ein Glasübergang beobachtet wurde. Raman-Spektroskopie ergab, dass Lithiumionen in Lösung als Kontaktionenpaare (CIPs) und Aggregate (AGG) vorliegen.
Darüber hinaus konnte durch eine zweidimensionale Korrelationsanalyse von Raman-Spektren und dielektrischen Relaxationsspektren (DRS) die beobachtete Relaxation in DRS erfolgreich zugeordnet werden. Dies lässt darauf schließen, dass bei hoher Lithiumsalzkonzentration erzeugte AGGs eine große räumliche Ausdehnung aufweisen und eine wichtige Rolle bei der spezifischen Lithiumionenleitung spielen.
Um die nachhaltigen Entwicklungsziele (SDGs) und die Ziele von Society-5 zu erreichen, besteht eine wachsende Nachfrage nach Energiespeichergeräten der nächsten Generation, die elektrische Energie effizient speichern können und auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind. Die Entwicklung dieser Geräte, die sowohl flüssige als auch feste Elektrolyte verwenden, ist weiter fortgeschritten.
„Unsere Forschung zu glasförmigen Flüssigelektrolyten ist ein bedeutender Schritt zur Überbrückung der Lücke zwischen herkömmlichen Flüssig- und Festelektrolyten“, erklärt Professor Yasuhiro Umebayashi, der korrespondierende Autor. „Diese Materialien bieten einzigartige Vorteile in Bezug auf Effizienz und anwendungsspezifische Anpassungsfähigkeit und ebnen den Weg für Energiespeicher der nächsten Generation.“
Weitere Informationen:
Yasuhiro Umebayashi et al, Speziation und Dipol-Neuorientierungsdynamik von glasbildenden flüssigen Elektrolyten: Li[N(SO2CF3)2] Mischungen aus 1,3-Propansulton oder Tetrahydrothiophen-1,1-dioxid, Faraday-Diskussionen (2024). DOI: 10.1039/D4FD00050A