Chemische Zusätze verbessern die Stabilität von High-Density-Lithium-Ionen-Batterien

Da unser Bedarf an Batterien mit hoher Dichte mit der weit verbreiteten Einführung von Elektroautos und alternativen Energiequellen steigt, ist die Verbesserung der Stabilität und Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien eine Notwendigkeit. Die aktuelle Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die häufig Nickel verwendet, ist bei extremen Temperaturen weniger stabil, was zu einer Überhitzung aufgrund von Temperatur und hohen Spannungen führt. Diese Batterien neigen auch dazu, sich schnell zu verschlechtern.

Um dieses Problem zu lösen, untersuchen Forscher neue chemische Kombinationen, die diese Nachteile beheben können. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Wissenschaftler gezeigt, wie ein Lösungsmittel und ein Zusatz aus einer anorganischen Verbindung die Stabilität und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien mit Nickelkathoden verbessern können.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 12. September in Nanoforschung.

Die Grundlagen der Funktionsweise von Batterien sind die gleichen, unabhängig davon, ob Sie an eine industrielle Lithium-Ionen-Batterie oder eine durchschnittliche AA-Haushaltsbatterie denken. Die Kathode ist die positive Elektrode, die Anode ist die negative Elektrode, und dazwischen befindet sich in der Batterie eine Lösung, die als Elektrolyt bezeichnet wird. Positiv und negativ geladene Ionen fließen durch den Elektrolyten und eine chemische Reaktion erzeugt elektrische Energie. In dieser Studie identifizierten die Forscher einen flüssigen Elektrolyten auf Sulfolanbasis, dem Lithiumperchlorat zugesetzt wurde, als mögliche Lösung für häufige Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien.

„Für Kathoden auf Nickelbasis wird eine gute elektrochemische Leistung bei niedrigen Temperaturen normalerweise auf Kosten von Eigentum und Sicherheit bei Raumtemperatur erreicht. Dies liegt daran, dass Elektrolyte mit niedrig schmelzenden Lösungsmitteln sich dramatisch verschlechtern. Die hohe Flüchtigkeit und Entflammbarkeit dieser Elektrolyte schränken auch ihre Anwendung ein bei hohen Temperaturen“, sagte Professor Fang Lian von der School of Materials Science and Engineering an der University of Science and Technology Beijing in Peking, China. Durch die Zugabe von Lithiumperchlorat zum Sulfolan stellten die Forscher fest, dass sie viele dieser Nachteile verbessern konnten.

Sulfolan ist ein Lösungsmittel, das ursprünglich für den Einsatz in der Öl- und Gasindustrie entwickelt wurde, aber jetzt in vielen verschiedenen industriellen Umgebungen verwendet wird, da es bei erhöhten Temperaturen stabil bleibt. Lithiumperchlorat ist eine anorganische Verbindung, die mit Sulfolan kombiniert wird, um die Stabilität des Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Eine dritte Chemikalie wird hinzugefügt, um den Elektrolyten zu verdünnen und die Stabilität des Elektrolyten in einem breiten Temperaturbereich zu unterstützen.

Um zu testen, wie gut der vorgeschlagene Elektrolyt funktioniert, erstellten die Forscher eine Batterie unter Verwendung des Elektrolyten und führten eine Reihe von Tests und theoretischen Berechnungen durch.

Sie fanden heraus, dass das Lösungsmittel in einem weiten Temperaturbereich von –60 bis 55 Grad Celsius seine Leitfähigkeit aufrechterhalten konnte. Im Vergleich dazu neigen herkömmliche Elektrolyte dazu, bei Temperaturen unter –20 Grad Celsius zu erstarren. Die Zugabe von Lithiumperchlorat zum Elektrolyten verstärkt die Art und Weise, wie die verschiedenen Chemikalien im Elektrolyten miteinander interagieren, und reduziert den Energiebedarf, wodurch der Elektrolyt bei niedrigeren Temperaturen besser arbeiten kann.

„Der verdünnte, hochkonzentrierte Elektrolyt auf Sulfolanbasis mit Lithiumperchlorat-Zusatz realisiert die breite Temperaturanwendung in Hochspannungszellen. Diese Kombination verbessert die Lithium-Ionen-Übertragung und reduziert die Desolvatationsenergie, während sie die kontinuierliche Zersetzung des Elektrolyten und die akute Verschlechterung hemmt der Kathode bei hohen Temperaturen“, sagte Lian. „Unsere Arbeit liefert ein umfassendes Verständnis des molekularen Designs des Elektrolyten und erleichtert die Entwicklung von Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte.“

Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press