Neuartiges Elektrolytdesign verspricht länger haltbare Lithium-Metall-Batterien

18. August 2024 feature

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von Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Lithium-Metall-Batterien könnten eine deutlich höhere Energiedichte aufweisen als Lithium-Ionen-Batterien, die heute die wichtigste Batterietechnologie auf dem Markt sind. Lithium-Metall-Zellen haben jedoch typischerweise auch erhebliche Einschränkungen, wobei die bemerkenswerteste eine kurze Lebensdauer ist.

Forscher der University of Science and Technology of China und anderer Institute haben kürzlich ein neues Elektrolytdesign vorgestellt, das zur Entwicklung von hochleistungsfähigen Lithium-Metall-Beutelzellen mit längerer Lebensdauer verwendet werden könnte. Dieses Elektrolyt, das in einem Papier in Nature Energy vorgestellt wird, weist eine einzigartige Solvatisierungsstruktur im Nanometermaßstab auf, bei der Ionenpaare dicht zusammengepackt sind zu kompakten Ionenpaar-Aggregaten (CIPA).

"Die Hauptziele unserer aktuellen Arbeit sind eine deutliche Beschleunigung der praktischen Anwendungen von Lithium-Metall-Batterien und die Bereitstellung eines tiefgreifenden mechanistischen Verständnisses dieses komplexen Systems", sagte Prof. Shuhong Jiao, Mitautor der Studie, gegenüber Tech Xplore.

"Li-Metall-Batterien sind das Heilige Gral im Batteriefeld und gelten als vielversprechende Batterietechnik der nächsten Generation, weil sie eine ultra-hohe Energiedichte haben, theoretisch >500 Wh/kg. Dies ist mehr als das Doppelte im Vergleich zu den heute den Batteriemarkt dominierenden Lithium-Ionen-Batterien, was bedeutet, dass, wenn wir Lithium-Ionen-Batterien durch Lithium-Metall-Batterien ersetzen können, die Reichweite von Elektrofahrzeugen pro Ladung verdoppelt werden kann."

Bislang eingeführte Lithium-Metall-Batterien haben eine stark begrenzte Zyklusdauer von etwa 50 Zyklen, was deutlich niedriger ist als die von kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien, die normalerweise ihre Leistung für etwa 1.000 Zyklen beibehalten können. Die Gründe für diese geringere Lebensdauer sind das Wachstum von Lithiumdendriten, die hohe Reaktivität von Lithium-Metall und Kathoden aus Hochspannungsübergangsmetallen, die zusammen den ständigen Abbau des Elektrolyts verursachen.

"Trotz der umfangreichen Bemühungen von Forschern aus aller Welt ist die Leistung von Lithium-Metall-Batterien noch immer weit von zufriedenstellend (>500 Wh/kg, 1.000 Zyklen) entfernt", sagte Prof. Jiao. "Die Hauptursache ist, dass die Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektroden (d. h. die Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche und die Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche) nicht vollständig stabilisiert werden können, wie im Falle von Lithium-Ionen-Batterien. Der ständige und schwere Elektrolytabbau tritt während des Batteriebetriebs weiterhin auf."

Etwa fünf Jahre zuvor hatten Prof. Jiao und ihre Kollegen ein Elektrolyt entwickelt, das gleichzeitig die Anoden-Elektrolyt- und Kathoden-Elektrolyt-Grenzflächen in Lithium-Metall-Batteriezellen stabilisieren und den Abbau des Elektrolyts unterdrücken kann. Ihr Elektrolytdesign basiert auf frühen Untersuchungen mikroskopischer physikochemischer Prozesse innerhalb von Lithium-Metall-Batterien.

"Ein Elektrolyt ist eine Schlüsselkomponente von Lithium-Metall-Batterien, da er die Chemie/Struktur der SEI steuern kann und somit das Plattierverhalten von Lithium-Metall beeinflussen kann, um letztendlich die Batterieleistung zu bestimmen", erklärte Prof. Jiao.

"Für praktische Anwendungszwecke haben wir versucht, dies mit kostengünstigen Komponenten zu realisieren. Die zahlreichen Arbeiten anderer Forscher auf diesem Gebiet haben uns auch sehr inspiriert, da sie viele neue Klassen von Elektrolyten eingeführt haben, wie hochkonzentrierte Elektrolyte, lokalisierte hochkonzentrierte Elektrolyte, schwach lösende Elektrolyte und verflüssigte Gas-Elektrolyte, etc."

Für diese aktuelle Studie arbeitete Prof. Jiao mit ihrer Forschergruppe mit anderen Teams zusammen, die theoretische Berechnungen durchführen und Elektrolyte im mikroskopischen Maßstab charakterisieren konnten. Ihre gemeinsamen Anstrengungen führten letztendlich zur Entwicklung einer neuen Klasse von Elektrolyten, die die Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien verlängern können.

Die von ihnen entworfenen Elektrolyte bestehen aus kommerziell verfügbaren und erschwinglichen Molekülen. Ihr charakteristisches Merkmal ist ihre einzigartige Solvatisierungsstruktur.

"Die Solvatisierungsstruktur ist ein entscheidendes inhärentes Merkmal eines Elektrolyten, da sie das Grenzflächenverhalten des Elektrolyten steuert, wie beispielsweise seinen Grenzflächenreaktionsmechanismus, der die Bildung von SEI kontrolliert und somit die SEI-Chemie und -Struktur beeinflusst", sagte Prof. Jiao.

Die Lösungsstruktur des Elektrolyten wurde bisher intensiv auf mikroskopischer Ebene in der wissenschaftlichen Fachliteratur angepasst, insbesondere die erste Solvathülle des Lithium-Ions, aber die strukturelle Feinabstimmung über diese Skala hinaus, nämlich die zweite Solvathülle und darüber hinaus, wird weitgehend übersehen.

Die kürzlich von Prof. Jiao und ihren Kollegen durchgeführte Studie hat die Feinabstimmung der Lösungsstruktur eines Elektrolyten auf mesoskopischer Ebene wegweisend vorangetrieben. Ihr einzigartiges Design konzentriert sich speziell auf die Wechselwirkung zwischen Ionenpaaren, die der Bildung der aggregierten Struktur des Elektrolyten zugrunde liegt.

„Unser Elektrolyt zeichnet sich durch große kompakte Aggregate aus, die durch das dichte Verpacken von Lithium-Anion-Ionenpaaren mit koordinativer Bindung untereinander gebildet werden, die wir als 'kompaktes Ionenpaar-Aggregat (CIPA)' definieren", sagte Prof. Jiao. „Dies steht im starken Kontrast zur Dominanz kleiner Aggregate und separater Ionenpaare im lokalisierten hochkonzentrierten Elektrolyten, einer hochmodernen Elektrolytklasse mit führender Batterieleistung bis heute, und eröffnet einen neuen Weg für das Design des Elektrolyten.“

Besonders erwähnenswert ist, dass der von diesem Forschungsteam entwickelte neue Elektrolyt eine einzigartige kollektive Reduzierung an der Lithium-Metall-Anode aufweist. Das bedeutet, dass Wolken von Anionen in der CIPA-Struktur schnell reduziert (dh zersetzt) werden und sich auf der Oberfläche des Lithiums in anorganische Verbindungen wie Li2O und LiF sowie eine dünnen und stabilen SEI umwandeln, die wiederum den ständigen Zerfall des Elektrolyten unterdrückt.

„Dank des einzigartigen kollektiven Elektronenübertragungsverhaltens bildet unser Elektrolyt eine dünne und passgenaue SEI mit geringem organischen Gehalt und reich an anorganischen Komponenten mit gleichmäßiger Verteilung, die den homogenen Lithiumionenfluss innerhalb der SEI fördern und eine lithiumdendritfreie Abscheidung ermöglichen“, sagte Prof. Jiao. „Dies führt zu einer homogenen und kompakten Lithiumabscheidung, die die spezifischen Flächen der Lithium-Metall-Anode verringert, um den Elektrolytzusammenbruch weiter zu unterdrücken.“

Zusätzlich zeigt der neu entwickelte Elektrolyt der Forscher gleichzeitig eine gute oxidative Stabilität und unterdrückt die Auflösung von Übergangsmetallelementen von der Kathode, wodurch die Stabilität der Kathodenschnittstelle verbessert wird. Die Stabilisierung dieser Schnittstelle sowie der Lithium-Elektrolyt-Schnittstelle führten zu stabilen Zyklen über eine längere Anzahl von Zyklen hinweg.

„Die mesoskopische Solvathülle, die in unserem Papier vorgestellt wird, führt zu einer neuen Klasse von Elektrolyten und eröffnet einen neuen Weg für das Design von Elektrolyten für Lithium-Metall-Batterien“, sagte Prof. Jiao.

Um das Potenzial ihres neu entwickelten Elektrolyten zu bewerten, verwendeten die Forscher ihn zur Herstellung einer 500 Wh / kg Lithium-Metall-Beutelzelle. In ersten Tests stellte sich heraus, dass diese Zelle nach 130 Zyklen 91% ihrer Energie behielt. In Zukunft könnte dieses neue Elektrolytdesign von anderen Forschern weltweit reproduziert und getestet werden, um sein Potenzial zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien weiter zu bewerten.

„Wir planen jetzt, die Lebensdauer von 500 Wh/kg Lithium-Metall-Beutelzellen auf über 1.000 Zyklen zu verlängern“, fügte Prof. Jiao hinzu. „Auf der anderen Seite erkunden wir weiterhin das neue Batteriesystem, um eine deutlich höhere Energiedichte mit langer Lebensdauer zu realisieren, beispielsweise ≥ 600 Wh/kg mit 100-200 Zyklen. All diese grundlegenden wissenschaftlichen Forschungsstudien sind wertvoll, um die Bereitstellung von Lithium-Metall-Batterien in vielen Szenarien zu realisieren.“

Weitere Informationen: Yulin Jie et al, Towards long-life 500 Wh kg−1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01565-z

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