Ingenieure der University of California-San Diego haben Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die bei eisiger Kälte und sengender Hitze gut funktionieren und gleichzeitig viel Energie packen. Die Forscher vollbrachten dieses Kunststück, indem sie einen Elektrolyten entwickelten, der nicht nur vielseitig und robust über einen breiten Temperaturbereich hinweg ist, sondern auch mit einer Hochenergieanode und -kathode kompatibel ist.
Foto von David Baillot mit freundlicher Genehmigung von UC San Diego Jacobs School of Engineering. Der Erstautor der Studie, Guorui Cai, ein Postdoktorand für Nanotechnik an der UC San Diego, bereitet eine Batteriebeutelzelle für Tests bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt vor.
Die temperaturbeständigen Batterien werden in einem Papier beschrieben, das in der Woche vom 4. Juli veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
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 die Batteriepacks der Fahrzeuge in heißen Klimazonen vor Überhitzung zu schützen, sagte Zheng Chen, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering und leitender Autor der Studie.
„Sie benötigen Hochtemperaturbetrieb in Gebieten, in denen die Umgebungstemperatur dreistellig sein kann und die Straßen noch heißer werden. In Elektrofahrzeugen befinden sich die Batteriepakete normalerweise unter dem Boden, in der Nähe dieser heißen Straßen“, erklärte Chen, der auch Fakultätsmitglied der UC San Diego ist Nachhaltiges Kraft- und Energiezentrum. „Außerdem erwärmen sich Akkus allein schon durch den Stromfluss während des Betriebs. 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). Sie hatten bei diesen Temperaturen auch einen hohen Coulomb-Wirkungsgrad 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 Elektrolyts sowohl kälte- als auch hitzetolerant. Es besteht aus einer flüssigen Lösung von Dibutylether gemischt mit einem Lithiumsalz. Eine Besonderheit von Dibutylether ist, dass seine Moleküle schwach an Lithium-Ionen binden. Mit anderen Worten, die Elektrolytmoleküle können während des Betriebs leicht Lithium-Ionen abgeben. Diese schwache molekulare Wechselwirkung hatten die Forscher in einem früheren entdeckt lernen, verbessert die Akkuleistung bei Minusgraden. Außerdem kann Dibutylether die Hitze leicht aushalten, da er bei hohen Temperaturen flüssig bleibt (er hat einen Siedepunkt von 141 °C oder 286 °F).
Stabilisierende Lithium-Schwefel-Chemien
Das Besondere an diesem Elektrolyten ist auch, dass er mit einer Lithium-Schwefel-Batterie kompatibel ist, also einer Art wiederaufladbarer Batterie, die eine Anode aus Lithiummetall und eine Kathode aus Schwefel hat. Lithium-Schwefel-Batterien sind ein wesentlicher Bestandteil von Batterietechnologien der nächsten Generation, da sie höhere Energiedichten und niedrigere Kosten versprechen. Sie können bis zu zweimal mehr Energie pro Kilogramm speichern als heutige Lithium-Ionen-Batterien – das könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln, ohne das Gewicht des Batteriepacks zu erhöhen. Außerdem ist Schwefel häufiger und weniger problematisch zu beschaffen als das Kobalt, das in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriekathoden verwendet wird.
Aber es gibt Probleme mit Lithium-Schwefel-Batterien. Sowohl die Kathode als auch die Anode sind superreaktiv. Schwefelkathoden sind so reaktiv, dass sie sich während des Batteriebetriebs auflösen. Dieses Problem verschlimmert sich bei hohen Temperaturen. Und Lithium-Metall-Anoden neigen dazu, nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten, zu bilden, die Teile der Batterie durchbohren und einen Kurzschluss verursachen können. Infolgedessen halten Lithium-Schwefel-Batterien nur bis zu zehn Zyklen.
„Wenn Sie eine Batterie mit hoher Energiedichte wollen, müssen Sie normalerweise eine sehr raue, 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 großen Temperaturbereich zu tun, 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 bietet gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit und Grenzflächenstabilität“, sagte Chen.
Das Team hat auch die Schwefelkathode so konstruiert, dass sie stabiler ist, indem es sie auf ein Polymer gepfropft hat. Dadurch wird verhindert, dass sich mehr Schwefel im Elektrolyten auflöst.
Die nächsten Schritte umfassen die Skalierung der Batteriechemie, deren Optimierung für den Betrieb bei noch höheren Temperaturen und die weitere Verlängerung der Zykluslebensdauer.
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 Stipendium der Early Career Faculty 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, Stipendium DMR-2011924) und des Office of Vehicle Technologies des US Department of Energy 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).
Mit freundlicher Genehmigung von UC San Diego.
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