Ingenieure der University of California in San Diego haben Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die sowohl bei eisiger Kälte als auch bei sengender Hitze eine gute Leistung erbringen und gleichzeitig viel Energie packen.Den Forschern gelang dieses Kunststück durch die Entwicklung eines Elektrolyten, der nicht nur über einen weiten Temperaturbereich vielseitig und robust ist, sondern auch mit einer Hochenergieanode und -kathode kompatibel ist.
Die temperaturbeständigen Akkuswerden in einem Artikel beschrieben, der in der Woche vom 4. Juli in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde.
Solche Batterien könnten es Elektrofahrzeugen in kalten Klimazonen ermöglichen, mit einer einzigen Ladung weiter zu fahren;Sie könnten auch den Bedarf an Kühlsystemen reduzieren, um zu verhindern, dass die Batteriepakete der Fahrzeuge in heißen Klimazonen überhitzen, sagte Zheng Chen, Professor für Nanotechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering und leitender Autor der Studie.
„Sie benötigen einen Hochtemperaturbetrieb in Bereichen, in denen die Umgebungstemperatur dreistellige Werte erreichen kann und die Straßen noch heißer werden.Bei Elektrofahrzeugen befinden sich die Batteriepakete normalerweise unter dem Boden, in der Nähe dieser heißen Straßen“, erklärte Chen, der auch Fakultätsmitglied des UC San Diego Sustainable Power and Energy Center ist.„Außerdem erwärmen sich Batterien allein dadurch, dass während des Betriebs Strom fließt.Wenn die Batterien diese Erwärmung bei hohen Temperaturen nicht vertragen, lässt ihre Leistung schnell nach.“
In Tests behielten die Proof-of-Concept-Batterien 87,5 % bzw. 115,9 % ihrer Energiekapazität bei -40 bzw. 50 °C (-40 bzw. 122 °F).Außerdem hatten sie bei diesen Temperaturen hohe Coulomb-Wirkungsgrade von 98,2 % bzw. 98,7 %, was bedeutet, dass die Batterien mehr Lade- und Entladezyklen durchlaufen können, bevor sie nicht mehr funktionieren.
Die von Chen und Kollegen entwickelten Batterien sind dank ihres Elektrolyten sowohl kälte- als auch hitzebeständig.Es besteht aus einer flüssigen Lösung von Dibutylether, gemischt mit einem Lithiumsalz.Eine Besonderheit von Dibutylether ist, dass seine Moleküle schwach an Lithiumionen binden.Mit anderen Worten: Die Elektrolytmoleküle können beim Betrieb der Batterie problemlos Lithiumionen abgeben.Diese schwache molekulare Wechselwirkung, so hatten die Forscher in einer früheren Studie herausgefunden, verbessert die Batterieleistung bei Minustemperaturen.Außerdem kann Dibutylether die Hitze problemlos vertragen, da er bei hohen Temperaturen flüssig bleibt (er hat einen Siedepunkt von 141 °C bzw. 286 °F).
Stabilisierende Lithium-Schwefel-Chemikalien
Das Besondere an diesem Elektrolyten ist auch, dass er mit einer Lithium-Schwefel-Batterie kompatibel ist, also einer Art wiederaufladbarer Batterie, die über eine Anode aus Lithiummetall und eine Kathode aus Schwefel verfügt.Lithium-Schwefel-Batterien sind ein wesentlicher Bestandteil der Batterietechnologien der nächsten Generation, da sie höhere Energiedichten und geringere Kosten versprechen.Sie können bis zu doppelt so viel Energie pro Kilogramm speichern wie heutige Lithium-Ionen-Batterien – dies könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln, ohne dass das Gewicht des Batteriepakets zunimmt.Außerdem kommt Schwefel häufiger vor und ist weniger problematisch zu beschaffen als das Kobalt, das in herkömmlichen Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.
Doch es gibt Probleme mit Lithium-Schwefel-Batterien.Sowohl die Kathode als auch die Anode sind superreaktiv.Schwefelkathoden sind so reaktiv, dass sie sich im Batteriebetrieb auflösen.Dieses Problem verschlimmert sich bei hohen Temperaturen.Und Lithiummetallanoden neigen dazu, nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten, zu bilden, die Teile der Batterie durchdringen und zu einem Kurzschluss führen können.Daher halten Lithium-Schwefel-Batterien nur bis zu mehreren zehn Zyklen.
„Wenn Sie eine Batterie mit hoher Energiedichte wollen, müssen Sie normalerweise eine sehr aggressive und komplizierte Chemie verwenden“, sagte Chen.„Hohe Energie bedeutet, dass mehr Reaktionen stattfinden, was weniger Stabilität und mehr Abbau bedeutet.Die Herstellung einer stabilen Hochenergiebatterie ist an sich schon eine schwierige Aufgabe – der Versuch, dies über einen weiten Temperaturbereich hinweg zu erreichen, ist noch schwieriger.“
Der vom Team der UC San Diego entwickelte Dibutylether-Elektrolyt verhindert diese Probleme, selbst bei hohen und niedrigen Temperaturen.Die von ihnen getesteten Batterien hatten eine viel längere Lebensdauer als eine typische Lithium-Schwefel-Batterie.„Unser Elektrolyt trägt zur Verbesserung sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite bei und sorgt gleichzeitig für eine hohe Leitfähigkeit und Grenzflächenstabilität“, sagte Chen.
Das Team hat außerdem die Schwefelkathode stabiler gestaltet, indem es sie auf ein Polymer aufgepfropft hat.Dadurch wird verhindert, dass sich mehr Schwefel im Elektrolyten auflöst.
Zu den nächsten Schritten gehören die Vergrößerung der Batteriechemie, die Optimierung für den Betrieb bei noch höheren Temperaturen und die weitere Verlängerung der Zyklenlebensdauer.
Papier: „Lösungsmittelauswahlkriterien für temperaturbeständige Lithium-Schwefel-Batterien.“Zu den Co-Autoren gehören Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal und Ping Liu, alle an der UC San Diego.
Diese Arbeit wurde durch ein Early Career Faculty-Stipendium des Space Technology Research Grants Program der NASA (ECF 80NSSC18K1512), der National Science Foundation durch das UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, Grant DMR-2011924) und des Office of unterstützt Fahrzeugtechnologien des US-Energieministeriums durch das Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, Vertrag DE-EE0007764).Diese Arbeit wurde teilweise an der San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) an der UC San Diego durchgeführt, einem Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der National Science Foundation unterstützt wird (Grant ECCS-1542148).
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. August 2022