Eine Kationen-Austauschmethode zur Realisierung hochleistungsfähiger Elektrolyte für Batterien mit mehrwertigen Metallen.

21. Januar 2024 feature

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Da der Einsatz von Elektro- und Hybridfahrzeugen in vielen Ländern weltweit zunimmt, wird die Entwicklung sicherer und leistungsstärkerer Batterietechnologien immer wichtiger. Insbesondere Ingenieure versuchen, die Sicherheit und Energiespeicherkapazität von Batterien zu erhöhen und gleichzeitig deren Skalierbarkeit zu gewährleisten und ihren Abbau im Laufe der Zeit zu verlangsamen.

Die Batterietechnologien, die den Anforderungen der Elektronikindustrie gerecht werden könnten, umfassen wiederaufladbare Multivalentmetallbatterien (d.h. Batterien mit multivalenten Ionen) auf der Basis von Anodenmaterialien mit niedrigen Reduktionspotentialen wie Magnesium (Mg) und Calcium (Ca). Diese Batterien könnten hohe Energiedichten aufweisen, wenn sie mit der richtigen Kombination aus Anoden, Kathoden und Elektrolyten entwickelt werden.

In den letzten Jahren wurden verschiedene kostengünstige Anodenmaterialien für diese Batterien identifiziert. Viele der vorgeschlagenen Elektrolyte hingegen sind entweder schwer zu beschaffen oder beruhen auf anspruchsvollen Syntheseverfahren, was ihre Herstellung in großem Maßstab erschwert.

Forscher der Zhejiang University, des ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center und der Dalian University of Technology haben kürzlich eine neue, universelle Methode zur Realisierung hochleistungsfähiger und skalierbarer Elektrolyte für multivalente Metallbatterien vorgestellt. Ihre vorgeschlagene Strategie, die in einem Artikel in Nature Energy beschrieben wird, könnte dazu beitragen, umkehrbare und erschwinglichere Elektrolytsysteme zu entwickeln, die für Batterietechnologien der nächsten Generation wertvoll sein könnten.

"Nach hochleistungsfähigen und kostengünstigen Elektrolytsystemen wird für hochenergetische Multivalentmetallbatterien gesucht", schrieben Siyuang Li, Jiahui Zhang und ihre Kollegen in ihrem Artikel. "Aber der teure Vorläuferstoff und der komplexe Syntheseprozess hindern die Erforschung von Kathodenelektroden-/Elektrolyt-Schnittstellen und Lösungsstrukturen. Wir haben eine universelle Methode zur Kationenersetzung entwickelt, um kostengünstige, hochreversible Magnesium- und Calciumelektrolyte aus einer Zinkorganoborat-Lösungsstruktur herzustellen."

Die von diesem Forschungsteam vorgestellte Methode umfasst verschiedene Schritte. Zunächst regten die Forscher eine chemische Reaktion zwischen einem erschwinglichen und leicht zugänglichen Zn(BH4)2-Vorläuferstoff und verschiedenen fluorierten Alkoholen an, wodurch Zielanionen mit verschiedenen verzweigten Ketten entstanden.

Anschließend reagierten diese Anionensolvate mit kostengünstigen Metallfolien mit einer höheren Metallaktivität, um Ziel-Lösungsstrukturen zu erzeugen. Um den kontinuierlichen Abbau von Lösungsmitteln zu unterdrücken und einen stabilen Batteriezyklus aufrechtzuerhalten, schlugen die Forscher die Bildung einer Passivierungsschicht auf Basis von zwei Arten von Ca-Solvaten vor.

"Durch eine rationale Anpassung der Vorläuferkettenlänge und des F-Substitutionsgrades können wir die Beteiligung der Anionen an der primären Lösungsschale feinabstimmen", erklärten die Forscher in ihrem Artikel. "Ein vollständig dissoziierter Magnesium-Organoborat-Elektrolyt ermöglicht eine hohe Strombelastbarkeit und verbesserte elektrochemische Kinetik, während der Calcium-Organoborat-Elektrolyt mit starker Koordination/B–H-Inklusion eine stabile Feststoff-Elektrolyt-Grenzfläche mit hoher koulombischer Effizienz bietet."

Die Forscher haben ihre Methode bisher verwendet, um einen Hochleistungsprototyp einer Batterie mit hoher Beladung von 53,4 Wh kg−1 auf Basis von Mg/S zu erstellen, der eine 30 μm Mg-Anode, ein geringes Elektrolytverhältnis/Schwefel (E/S = 5,58 μl mg−1) und einen modifizierten Separator/Interlayer enthielt. In ersten Tests erzielte der Batterieprototyp vielversprechende Ergebnisse und unterstreicht das Potenzial dieses Ansatzes, um günstige und kostengünstige Elektrolyte für multivalente Metallbatterien zu schaffen.

In Zukunft könnte die in diesem Artikel vorgestellte Methode den Weg zur Entwicklung verschiedener reversibler Elektrolytsysteme ebnen, die auf kostengünstigeren Materialien und einfacheren Verarbeitungsstrategien basieren. Mit diesen Elektrolyten könnten skalierbare und sichere Multivalentmetallbatterien mit höheren Energiedichten geschaffen werden.

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