Lithium-Metall-Batterien haben eine neue Entwicklungsstufe erreicht, die insbesondere für Anwendungen bei hohen Temperaturen geeignet ist.
In den letzten Jahren haben Batterien zunehmend Einzug in unser tägliches Leben gehalten. Allerdings bringen die derzeitigen kommerziellen Batterietechnologien, die flüssige Elektrolyte und kohlenstoffhaltige Anoden verwenden, einige Nachteile mit sich. Dazu zählen Sicherheitsbedenken, eine begrenzte Lebensdauer und unzureichende Energiedichte, insbesondere bei hohen Temperaturen.
Bedarf an Batterien für extreme Bedingungen
Der Bedarf an Batterien, die unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten können, steigt. Solche Bedingungen sind unter anderem in der Sterilisation von medizinischen Geräten, der unterirdischen Exploration und in thermischen Reaktoren erforderlich. Diese Anforderungen haben Forscher dazu veranlasst, nach sicheren Festkörperelektrolyten zu suchen, die mit Lithium-Metall-Anoden kompatibel sind und für ihre hohe theoretische spezifische Leistung bekannt sind.
Durchbruch in der Forschung
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Dong-Myeong Shin vom Department of Mechanical Engineering der Universität Hongkong (HKU) hat eine neue Generation von Lithium-Metall-Batterien entwickelt. Diese Innovation konzentriert sich auf rissfreie Polymerelektrolyte, die eine verlängerte Lebensdauer und erhöhte Sicherheit bei erhöhten Temperaturen versprechen.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Science unter dem Titel “Accelerated Selective Li+ Transports Assisted by Microcrack-Free Anionic Network Polymer Membranes for Long Cyclable Lithium Metal Batteries” veröffentlicht.
Eigenschaften der neuen Elektrolyte
Die von Professor Shins Team entwickelten rissfreien Polymerelektrolyte werden über eine einfache Ein-Schritt-Click-Reaktion synthetisiert und weisen bemerkenswerte Eigenschaften auf, darunter:
- Widerstand gegen Dendritenwachstum
- Nichtentzündlichkeit
- Hohe elektrochemische Stabilität bis zu 5 V
- Ionenleitfähigkeit von 3,1 × 10−5 S cm−1 bei hohen Temperaturen
Diese Verbesserungen sind auf angeheftete Boratanionen innerhalb der rissfreien Membranen zurückzuführen, die einen beschleunigten selektiven Transport von Li+-Ionen ermöglichen und die Bildung von Dendriten unterdrücken. Diese anionischen Netzwerkpolymermembranen ermöglichen es Lithium-Metall-Batterien, als sichere, langzyklische Energiespeicher bei hohen Temperaturen zu fungieren und dabei eine Kapazitätserhaltung von 92,7 % und eine durchschnittliche coulombische Effizienz von 99,867 % über 450 Zyklen bei 100°C aufrechtzuerhalten. Herkömmliche flüssige Elektrolyt-Lithium-Metall-Batterien erreichen normalerweise weniger als 10 Zyklen bei hohen Temperaturen.
Zukünftige Anwendungen und Potentiale
“Wir glauben, dass diese Innovation neue Batterietechnologien ermöglicht, die wiederaufladbare Batterien für Hochtemperaturanwendungen revolutionieren können, mit einem besonderen Fokus auf Sicherheit und Langlebigkeit,”
sagte Dr. Jingyi Gao, der Erstautor der Studie.
“Zusätzlich zu Anwendungen bei hohen Temperaturen könnten die rissfreien Elektrolytmembranen auch das Schnellladen aufgrund niedriger Überpotentiale ermöglichen. Diese Fähigkeit könnte es Elektrofahrzeugen erlauben, in der Zeit aufzuladen, die man benötigt, um eine Tasse Kaffee zu trinken, was einen bedeutenden Schritt in Richtung einer sauberen Energiezukunft darstellt,”
fügte Professor Shin hinzu.
Diese Forschung könnte die Grundlage für zukünftige Fortschritte im Design von anionischen Polymerelektrolyten für die nächste Generation von Lithiumbatterien legen.
