Polyoxometallate und ionische Flüssigkeiten verbessern die Leistung von Festkörper-Lithium-Ionen-Elektrolyten

Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien sind auf die Bewegung von Ionen (geladenen Atomen) im festen und nicht im flüssigen Zustand angewiesen, um die Batterie entweder zu laden oder zu entladen. Diese Festkörperelektrolyte sind sicherer, kosteneffizienter und ermöglichen höhere Energiedichten als Batterien, die auf flüssigen Elektrolytlösungen basieren, aber unter einer geringen Ionenleitfähigkeit oder Ionenbewegung sowie einer schlechten thermischen Stabilität leiden.

Forscher der Northeast Normal University haben unter Verwendung von Lithiumsalzen und einer ionischen Flüssigkeit eine neue zusammengesetzte Festkörperelektrolytmembran (CSE) synthetisiert, um die Dissoziation und damit die Leitfähigkeit geladener Lithiumatome in einer Festkörperelektrolytbatterie zu verbessern. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Polyoxometallate am 28. September 2023.

Polyoxometallate (POMs) sind Cluster aus Metall- und Sauerstoffatomen, deren Eigenschaften durch die wohldefinierte Struktur des POM-Atomclusters bestimmt werden. Die Forscher führten kürzlich ein POM-basiertes Lithiumsalz, Li6P2Mo18O62 (LPM), in einen Festpolymerelektrolyten (SPE) ein, der aus dem Polymer Polyethylenoxid (PEO) besteht, einer kostengünstigen und stabilen Kette aus vielen Ethylenoxid-Untereinheiten.

PEO leidet unter einer geringen Ionenleitfähigkeit, und die Zugabe von LPM-Salz verändert die Eigenschaften des Polymers und verbessert die Ionenbewegung. Das Forschungsteam integrierte außerdem eine ionische Flüssigkeit (IL), um Lithiumionen aus LPM zu befreien und so die Leitfähigkeit des Verbundelektrolytmaterials weiter zu verbessern.

„Festkörperelektrolyte (SSE) gelten aufgrund ihrer hervorragenden thermischen und elektrochemischen Stabilität als … die vielversprechendsten Kandidaten für Energiespeichergeräte der nächsten Generation. Obwohl SPEs eine ausgezeichnete Flexibilität und Viskosität aufweisen, sind sie aufgrund ihrer geringen Ionenleitfähigkeit stark eingeschränkt. schlechte mechanische Festigkeit und geringe thermische Stabilität bei Raumtemperatur.

„Im Gegensatz dazu weisen anorganische Festelektrolyte (ISEs) wie LPM normalerweise eine hohe Ionenleitfähigkeit auf. Durch den Einbau von ISEs wie LPM in SPEs zur Bildung zusammengesetzter Polymerelektrolyte nutzen wir ihre jeweiligen Eigenschaften … um optimierte mechanische Eigenschaften zu erzielen und ihre Ionenleitfähigkeit zu verbessern.“ , sagte Hong-Ying Zang, leitender Autor des Artikels und Professor am Key Laboratory of Polyoxometalate and Reticular Material Chemistry an der Northeast Normal University in Changchun, China.

„Derzeit umfassen anorganische Elektrolytfüllstoffe Nanopartikel … und ionisch leitende anorganische Stoffe. Als Klasse von Metall-Sauerstoff-Clustern wird die Anwendung von Polyoxometallaten in Festkörperbatterien durch die Schwierigkeit erschwert, Lithiumionen zu bewegen. In diesem Artikel fördern wir die „Dissoziation von Lithiumionen aus Polyoxometallaten mit ILs … um LPM- und IL-Verbundwerkstoffen (LPM-IL) eine gute elektrische Leitfähigkeit zu verleihen“, sagte Zang.

Das Team charakterisierte die Ionenleitfähigkeit und -mobilität der Verbundmembran durch Messung der Wechselstromimpedanz oder des Widerstands des Stromflusses in einem Stromkreis. Das Team stellte fest, dass Elektrolytmembranen, die die optimale Konzentration an LPM und IL enthielten, eine dreimal höhere Leitfähigkeit aufwiesen als Membranen, die ohne IL hergestellt wurden.

Auf ähnliche Weise stellte das Team fest, dass die Leitfähigkeit von Verbundmembranen, die mit Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem nicht reaktiven thermoplastischen Füllstoffmaterial, in Verbindung mit PEO hergestellt wurden, die Leitfähigkeit im Vergleich zu LPM-IL-Membranen, die ohne PVDF synthetisiert wurden, um das Zehnfache erhöhte. Die Verbundmembran zeigte auch über 12 Stunden bei einer Temperatur von 80 °C eine gute Stabilität.

„Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen, dass Polyoxometallate als anorganische Festelektrolyte verwendet werden können“, sagte Zang. IL erhöhte effektiv die Dissoziation von Lithiumionen aus LPM und verbesserte die Ionenleitfähigkeit der zusammengesetzten Festelektrolytmembran. Durch den Einbau von PVDF entstand außerdem ein leitfähiges PEO-PVDF-Netzwerk in der Membran, das die Bewegung von Lithiumionen weiter förderte und die Leitfähigkeit erhöhte.

Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass ihre einzigartige, PEO-basierte Verbundmembran, die PVDF, POM-basiertes Lithiumsalz und IL enthält, ein praktisches Mittel zur Erhöhung der Ionenleitfähigkeit in Festkörperelektrolyten für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien darstellt. „Unser nächster Schritt besteht darin, die Leistung von Polyoxometallaten zu verbessern, um bessere Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen“, sagte Zang.