Nutzung des Peltier-Effekts zur Untersuchung von Lithium-Ionen-Zellen

Batterien werden normalerweise anhand elektrischer Eigenschaften wie Spannung und Strom untersucht. Neue Forschungsergebnisse legen jedoch nahe, dass die Beobachtung des Wärmeflusses in Verbindung mit Elektrizität wichtige Erkenntnisse über die Batteriechemie liefern kann.

Ein Forscherteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat gezeigt, wie man die chemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batteriezellen mithilfe des Peltier-Effekts untersuchen kann, bei dem elektrischer Strom dazu führt, dass ein System Wärme zieht. Im Journal berichtet Physikalische Chemie, Chemische PhysikMit dieser Technik konnten sie die Entropie des Lithium-Ionen-Elektrolyten experimentell messen, eine thermodynamische Eigenschaft, die sich direkt auf das Design von Lithium-Ionen-Batterien auswirken könnte.

„Bei unserer Arbeit geht es darum, die grundlegende Thermodynamik gelöster Lithiumionen zu verstehen. Informationen, von denen wir hoffen, dass sie die Entwicklung besserer Elektrolyte für Batterien leiten werden“, sagte David Cahill, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der University of I. und Projektleiter. „Durch die Messung des gekoppelten Transports von elektrischer Ladung und Wärme im Peltier-Effekt können wir auf die Entropie schließen, eine Größe, die eng mit der chemischen Struktur der gelösten Ionen und ihrer Wechselwirkung mit anderen Teilen der Batterie zusammenhängt.“

Der Peltier-Effekt ist in Festkörpersystemen gut untersucht, wo er zum Kühlen und Kühlen eingesetzt wird. In ionischen Systemen wie dem Lithiumelektrolyten ist es jedoch noch weitgehend unerforscht. Der Grund dafür ist, dass die Temperaturunterschiede, die durch Peltier-Heizung und -Kühlung entstehen, im Vergleich zu anderen Effekten gering sind.

Um diese Hürde zu überwinden, nutzten die Forscher ein Messsystem, das eine Auflösung von einem Hunderttausendstel Grad Celsius ermöglicht. Dadurch konnten die Forscher die Wärme zwischen den beiden Enden der Zelle messen und daraus die Entropie des Lithium-Ionen-Elektrolyten in der Zelle berechnen.

„Wir messen eine makroskopische Eigenschaft, aber sie enthüllt immer noch wichtige Informationen über das mikroskopische Verhalten der Ionen“, sagte Rosy Huang, eine Doktorandin in Cahills Forschungsgruppe und Co-Hauptautorin der Studie. „Messungen des Peltier-Effekts und der Entropie der Lösung hängen eng mit der Solvatationsstruktur zusammen. Bisher verließen sich Batterieforscher auf Energiemessungen, aber die Entropie würde eine wichtige Ergänzung zu diesen Informationen darstellen, die ein vollständigeres Bild des Systems liefern.“

Die Forscher untersuchten, wie sich der Peltier-Wärmefluss mit der Konzentration der Lithiumionen, dem Lösungsmitteltyp, dem Elektrodenmaterial und der Temperatur verändert. In allen Fällen beobachteten sie, dass der Wärmefluss entgegengesetzt zum Ionenstrom in der Lösung verlief, was bedeutet, dass die Entropie aus der Auflösung von Lithiumionen geringer ist als die Entropie von festem Lithium.

Die Möglichkeit, die Entropie von Lithium-Ionen-Elektrolytlösungen zu messen, kann wichtige Erkenntnisse über die Mobilität der Ionen liefern, den Wiederaufladezyklus der Batterie steuern und darüber, wie die Lösung mit den Elektroden interagiert, ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer der Batterie.

„Ein unterschätzter Aspekt des Batteriedesigns ist, dass der flüssige Elektrolyt bei Kontakt mit den Elektroden chemisch nicht stabil ist“, sagte Cahill. „Es zersetzt sich immer und bildet eine sogenannte Festelektrolyt-Grenzfläche. Um eine Batterie über lange Zyklen stabil zu machen, muss man die Thermodynamik dieser Grenzfläche verstehen, und dabei hilft unsere Methode.“

Zhe Cheng ist der zweite Co-Hauptautor der Studie. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon und Paul Braun, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der University of I., trugen ebenfalls zu dieser Arbeit bei.