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Die Entwicklung energieeffizienter und energieintensiver Batterietechnologien ist einer der wichtigsten Aspekte bei der Elektrifizierung von Transport und Luftfahrt. Manchmal kann es jedoch Jahre dauern, bis Batterieinnovationen für die Anwendung im großen Maßstab bereit sind.
Einer der wichtigsten Aspekte einer Batterie ist der Elektrolyt. Elektrolyte sind die Batteriekomponenten, die Ionen zwischen den beiden Elektroden einer Batterie hin und her austauschen und so Strom erzeugen können. Dies führt zum Laden und Entladen der Batterie. Bei den heutigen Lithium-Ionen-Batterien ist die Elektrolytchemie relativ gut definiert. Es gibt mehrere generische Elektrolyttypen, die von Ingenieuren an bestimmte Anwendungen angepasst werden. Sie bestehen normalerweise aus löslichen Salzen, Säuren oder anderen Basen. Alternative Batteriesysteme können flüssiges Gel oder trockene Formate enthalten. Einige Typen können auch Polymere, feste Keramiken oder geschmolzene Salze sein.
Jetzt (2023) entdeckte ein Wissenschaftlerteam des Argonne National Laboratory eine Art „kooperatives“ Verhalten, das bei komplexen Komponentenmischungen in Batterieelektrolyten auftreten kann. Sie fanden heraus, dass die Kombination zweier verschiedener Anionentypen mit Kationen die Gesamtleistung der Batterie deutlich verbessern kann, und hofften, dass eine sorgfältige Auswahl der Ionenmischungen den Batterieentwicklern helfen würde, ihre Geräte präzise anzupassen, um die gewünschten Leistungsmerkmale zu erzielen.
Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf einen Batterietyp namens multivalente Batterie. Diese Batterien verwenden Kationen wie Zink, Magnesium und Kalzium mit einer Ladung von +2 im Gegensatz zu +1 bei Lithiumionen. Da multivalente Batterien mehr Ladung transportieren können, können sie auch mehr Energie speichern und freisetzen, was sie für den Einsatz in Elektrofahrzeugen attraktiv macht. Heutzutage sind die meisten multivalenten Batterien jedoch nicht leistungsfähig, da sie instabil sind und sich zersetzen. Infolgedessen können die Elektrolyte Kationen nicht effizient transportieren, was die Fähigkeit der Batterie zur Erzeugung und Speicherung von Elektrizität verringert.
Als einen der Hauptkandidaten für eine multivalente Batterie untersuchten die Wissenschaftler eine Batterie aus Zinkmetall. Ihr Ziel war es, zu charakterisieren, wie die Komponenten interagierten und welche Strukturen sich bildeten, wenn Zinkkationen mit zwei verschiedenen Anionentypen im Elektrolyten kombiniert wurden. Sie wollten auch herausfinden, wie wichtige Aspekte der Batterieleistung durch Wechselwirkungen wie Metallablagerung und -ablösung an der Anode beeinflusst werden.
Daher wurde ein Batteriesystem im Labormaßstab entwickelt, das aus einem Elektrolyten und einer Zinkanode besteht. Der Elektrolyt enthielt zunächst Zinkkationen und ein Anion namens TFSI mit einer sehr schwachen Anziehungskraft auf die Kationen. Dann wurden dem Elektrolyten Chloridanionen hinzugefügt.
Die Forscher analysierten die Wechselwirkungen und Strukturen dieser Ionen mithilfe von drei sich ergänzenden Techniken: Röntgenabsorptionsspektroskopie, bei der der Elektrolyt mit Synchrotron-Röntgenstrahlen untersucht und die Absorption der Röntgenstrahlen gemessen wird; Raman-Spektroskopie, bei der der Elektrolyt mit Laserlicht beleuchtet und das gestreute Licht ausgewertet wird; Dichtefunktionaltheorie, mit der die durch die Wechselwirkungen zwischen den Ionen im Elektrolyten gebildeten Strukturen simuliert und berechnet werden können.
Das Team fand heraus, dass sich TFSI-Anionen in Gegenwart von Chlorid leicht mit Zinkkationen paaren würden. Dies kann die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der das Kation beim Laden als Metall auf der Anode abgeschieden oder beim Entladen wieder in den Elektrolyten zurückgeführt werden kann. Schnellere Elektrodenreaktionen, die weniger Energie benötigen, können chemische Energie effizienter in Elektrizität umwandeln.
Das Team wiederholte diese Experimente mit zwei anderen Ionenmischungen. Eine davon enthielt Bromidionen statt Chlorid und die andere Iodidionen statt Chlorid. Das Ergebnis war ähnlich wie bei Chlorid: Bromid und Iodid veranlassten TFSI-Anionen, sich mit Zinkkationen zu paaren. Mit allen drei Ionenkombinationen maßen die Forscher die elektrochemische Aktivität an der Schnittstelle zwischen Elektrolyt und Anode. Bromid und Iodid waren aktiver als Chlorid, da sie Zinkkationen weniger stark hielten. Dies kann dazu führen, dass eine Zink-Ionen-Batterie schneller geladen und entladen werden kann.
Image: Molecular dynamics simulations and characterisation of electrolytes. Snapshots of local structure evolution for a 1 m Ca(NO3)2 electrolyte, b saturated Ca(NO3)2 electrolyte, and c aqueous gel electrolyte based on MD simulation at 10 ns. d The hydrogen bonds and the percentage of water molecular coordinated with Ca2+ for three electrolyte samples based on MD simulation at 10 ns. The hydrogen bond between the Ca2+–H2O complex and PVA repetitive unit is shown in the inset. The green, red, white and grey balls represent Ca, O, H and C, respectively. e Raman spectra of the 1 m, 2 m, 5 m and saturated Ca(NO3)2 aqueous electrolytes, and aqueous gel electrolyte.
Source: Xiao Tang, Dong Zhou, Bao Zhang, Shijian Wang/ Universal strategy towards high–energy aqueous multivalent ion batteries/ Research Square January 2021/ DOI:10.21203/rs.3.rs-140085/v1/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
Was die Wissenschaftler im Verlauf des Experiments am meisten faszinierte, war die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Ionenarten in einem Elektrolyten. Die Anwesenheit der schwach anziehenden Anionen schien die Energiemenge zu verringern, die benötigt wird, um Zinkmetall aus der Lösung zu ziehen. Andererseits stellte sich heraus, dass die Anwesenheit der stark anziehenden Anionen die Energiemenge verringerte, die benötigt wird, um das Zink wieder in Lösung zu bringen. Insgesamt wurde weniger Energie benötigt, um diesen Hin- und Her-Prozess voranzutreiben und einen konstanten Stromfluss zu ermöglichen.
Wissenschaftler arbeiten ständig an der Erfindung neuer Batterietechnologien. Im Jahr 2021 wurde eine wässrige mehrwertige Ionenbatterie unter Verwendung von superkonzentrierten wässrigen Gelelektrolyten mit großem Fenster, hochkapazitiven Schwefelanoden und Hochspannungsmetalloxidkathoden entwickelt. Diese wässrige Batteriechemie war für langlebige mehrwertige Ionenbatterien mit erhöhter Energiedichte, Reversibilität und Sicherheit verantwortlich. Als Demonstrationsmodell wurde eine Calciumionen-Schwefel||Metalloxid-Vollzelle gebaut, die eine hohe Energiedichte von 110 Wh kg –1 und eine ausgezeichnete Zyklenstabilität aufwies. Molekulardynamische Modelle und experimentelle Untersuchungen zeigten, dass Nebenreaktionen durch Unterdrückung der Wasseraktivität und Bildung einer schützenden anorganischen Festelektrolyt-Zwischenphase im wässrigen Gelelektrolyten reduziert werden konnten. Die einzigartige Redoxchemie konnte auch auf wässrige Magnesiumionen- und Aluminiumionen-Schwefel||Metalloxid-Batterien ausgeweitet werden.
Im Jahr 2023 entwickelten Wissenschaftler eine ionenperkolierende Elektrolytmembran, die als stabiles Li⁺-Reservoir fungieren konnte, um eine nahezu einheitliche Li⁺-Übertragungszahl (0,78) sicherzustellen und die Li⁺-Migration zu homogenisieren, um das Dendritenwachstum zu reduzieren. Dies verlieh der Li//LFP-Zelle nach fast einem halben Jahr Zyklenbetrieb eine ultrahohe durchschnittliche Coulomb-Effizienz (ca. 99,97 %) und eine ausgezeichnete Zyklenstabilität bei Kombination mit LiCoO2 mit begrenzter Li-Menge und LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2. Diese Eigenschaften zeigten ein erhebliches Nutzungspotenzial für den ionenperkolierenden Elektrolyten.
Image: (A) Schematic diagram for the structure of ion-percolating electrolyte membrane. (B) Photographs of IPS at flat and bending conditions. (C) Side-view SEM image of IPS (D) FTIR spectrum of PVDF, IPS and attapulgite. (E) Heat shrinkage tests of PE and IPS before and after treating at 1400C. (F) TGA curves of PE and IPS
Source: Yu-Ting Xu, Sheng-Jia Dai, Xiao-Feng Wang, Yu-Guo Guo, Xian-Xiang Zeng, Xiong-Wei Wu/ An ion-percolating electrolyte membrane for ultrahigh efficient and dendrite-free lithium metal batteries/ InfoMat, November 2023/ DOI:10.1002/inf2.12498/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
Die jüngsten Entdeckungen auf dem Gebiet der multivalenten Batteriewissenschaft haben mehrere potenzielle Vorteile: Multivalente Batterien verwenden reichlich vorhandene Elemente, die über stabile, inländische Lieferketten geliefert werden. Das Gleiche kann man von Lithium nicht sagen, das weniger reichlich vorhanden ist und eine teure, volatile internationale Lieferkette hat. Mit der Entdeckung dieses Verhaltens in multivalenten Batterien können viele der oben genannten Probleme dieses Batterietyps beseitigt und stabilere Elektrolyte für fortschrittliche Batterien entwickelt werden. Durch eine präzisere Kontrolle der Komponenteninteraktionen können Batterieentwickler den Kationentransport verbessern, die Elektrodenstabilität und -aktivität erhöhen und eine schnellere, effizientere Stromerzeugung und -speicherung ermöglichen.
Der nächste Schritt der Forschung wird darin bestehen, zu untersuchen, wie andere multivalente Kationen wie Magnesium und Kalzium mit verschiedenen Anionenmischungen interagieren. Ein weiterer neuer Forschungszweig befasst sich mit der Verwendung von maschinellem Lernen zur schnellen Berechnung der Interaktionen, Strukturen und elektrochemischen Aktivität, die bei vielen verschiedenen Ionenkombinationen auftreten. Dies würde die Auswahl der vielversprechendsten Kombinationen beschleunigen, die dann im Labor analysiert werden könnten.
Von der Redaktion