Forscher bieten Einblicke in Festelektrolyt-Interphasen in wässrigen Kaliumionenbatterien der nächsten Generation

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erfreuen sich in den letzten zwei Jahrzehnten großer Beliebtheit als bevorzugte Energiequelle für eine Vielzahl elektronischer Geräte und Fahrzeuge. Obwohl die transformativen Auswirkungen, die LIBs auf moderne Gesellschaften hatten, kaum hoch genug eingeschätzt werden können, hat diese Technologie eine ganze Reihe von Nachteilen, die nicht weiter ignoriert werden können. Dazu gehören die begrenzte Verfügbarkeit von Lithium sowie Sicherheits- und Umweltbedenken. Diese Nachteile haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt dazu motiviert, nach alternativen Batterietechnologien zu suchen, beispielsweise wässrigen Batterien. Ein prominentes Beispiel sind Kaliumionenbatterien (KIBs); Diese Batterien werden aus reichlich verfügbaren Materialien hergestellt und sind viel sicherer als LIBs. Darüber hinaus können KIBs einen Wasser-in-Salz-Elektrolyten (WISE) verwenden, der sie thermisch und chemisch stabiler macht.

Allerdings ist die Verhinderung der Wasserstoffentwicklung an der negativen Elektrode zu deren Stabilisierung eine große Herausforderung bei wässrigen Hochspannungsbatterien. Während sich zwischen diesen Elektroden und der Elektrolytlösung feste Elektrolyt-Interphasen (SEI) bilden, die zur Stabilisierung der Elektroden in LIBs beitragen (indem sie die Zersetzung des Elektrolyten und die Selbstentladung der Batterien verhindern), wurden sie im Zusammenhang mit KIBs kaum erforscht.

Um diese große Wissenslücke zu schließen, hat ein Forschungsteam der Tokyo University of Science (TUS), Japan, kürzlich eine bahnbrechende Studie durchgeführt, um Einblicke in die SEI-Bildung und ihre Eigenschaften in WISE-basierten KIBs zu gewinnen. Ihre Erkenntnisse waren online in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie Internationale Ausgabe am 18. August 2023. Die Studie unter der Leitung von TUS-Professor Shinichi Komabaist Co-Autor von Junior-Assoziierter Professor Ryoichi TataraDr. Zachary T. Gossage und Frau Nanako Ito, alle von TUS.

Die Forscher verwendeten hauptsächlich zwei fortschrittliche Analysetechniken – elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) und elektrochemische Operando-Massenspektrometrie (OEMS) – um zu beobachten, wie sich SEI in Echtzeit während des Betriebs eines KIB mit einem 3,4,9,10- bildet und reagiert. Perylentetracarbonsäurediimid-Negativelektrode und 55 mol/kg K(FSA)0,6(OTf)0,4∙1H2O, ein WISE, das das Team in einer früheren Studie entwickelt hatte.

Die Experimente ergaben, dass SEI in WISE eine passivierende Schicht bildet, die der in LIBs beobachteten ähnelt, mit langsamen scheinbaren Elektronentransferraten, was dazu beiträgt, die Wasserstoffentwicklung zu unterdrücken. Dies kann eine stabile Leistung und eine höhere Haltbarkeit von KIBs gewährleisten. Allerdings stellten die Forscher fest, dass die Abdeckung der SEI-Schicht bei höheren Betriebsspannungen unvollständig war, was zur Wasserstoffentwicklung führte.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse die Notwendigkeit, mögliche Wege zur Verbesserung der SEI-Bildung in zukünftigen wässrigen Batterien zu erkunden. „Während unsere Ergebnisse interessante Details zu den Eigenschaften und der Stabilität von SEI in einem bestimmten WISE offenbaren, sollten wir uns auch auf die Stärkung des SEI-Netzwerks konzentrieren, um eine verbesserte Funktionalität zu erreichen“, kommentiert Prof. Komaba. „SEI könnte vielleicht durch die Entwicklung anderer Elektrolyte verbessert werden, die einzigartige SEIs produzieren, aber auch durch den Einbau von Elektrolytzusätzen oder eine Vorbehandlung der Elektrodenoberfläche.“

Diese Studie unterstreicht auch die Leistungsfähigkeit von SECM und OEMS, um ein fundiertes Verständnis der Elektroden-Elektrolyt-Wechselwirkungen in Batterien der nächsten Generation zu erlangen. „Diese Techniken bieten ein leistungsstarkes Mittel zur Verfolgung der Entwicklung, Abdeckung, des Ionentransfers und der Stabilität von SEI und können problemlos an eine Vielzahl von Elektrolyten und Elektroden angepasst werden“, erklärt Prof. Komaba. „Wir hoffen, dass diese Arbeit andere Forscher dazu ermutigt, SECM und OEMS als fortschrittliche Charakterisierungsmethoden weiter zu erforschen, die in traditionelle Batteriemessungen integriert werden können, um tiefere Erkenntnisse zu gewinnen.“

Die Entwicklung wässriger Batterien wie KIBs wird für nachhaltige Gesellschaften in der Zukunft von entscheidender Bedeutung sein, da sie die teuren und gefährlichen LIBs ersetzen könnten, die derzeit in Elektrofahrzeugen, intelligenten Netzen, Systemen für erneuerbare Energien und Meeresanwendungen verwendet werden. Indem Wasserbatterien die Energiespeicherung leichter zugänglich machen, werden sie den Übergang zur CO2-neutralen Energieerzeugung unterstützen und den Weg für eine grünere Zukunft ebnen.

Mit etwas Glück werden uns weitere Studien bald zu vielversprechenden LIB-Alternativen führen!

Referenz
Titel der Originalarbeit: In-situ-Beobachtung der Entwicklung von H2 und Festelektrolyt-Interphasenentwicklung an Kaliuminsertionsmaterialien in hochkonzentrierten wässrigen Elektrolyten
Zeitschrift: Angewandte Chemie Internationale Ausgabe
DOI: 10.1002/ange.202307446

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