Für Wissenschaftler, die an der Entwicklung der nächsten Generation von Batterien arbeiten, war Wasser normalerweise der Feind. Beispielsweise müssen Lithium-Ionen-Batterien normalerweise unter extrem trockenen Bedingungen hergestellt werden, damit sie große Ladungsmengen aufnehmen können. Aber eine neue Entdeckung könnte zeigen, dass eine bestimmte Art von Lithium-Ionen-Batterie buchstäblich Wasser halten kann.
In einer Batterie bewegen sich Ionen zwischen den beiden Elektroden, um die beim Laden und Entladen entstehende elektrische Ladung auszugleichen. Elektrolyte sind die Batteriekomponente, die dies ermöglicht. Basierend auf detaillierten Modellen von Wasser in verschiedenen Elektrolytumgebungen, die durch frühere Computersimulationen erstellt wurden, entwickelten Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) einen neuen Batterieelektrolyten, der tausendmal mehr Wasser aufnehmen kann als herkömmliche Elektrolyte, so der leitende Batteriechemiker von Argonne Zhengcheng „John“ Zhang.
„Wir haben immer gedacht, dass Wasser für eine Lithium-Ionen-Batterie große Probleme bereiten würde. Es stellt sich jedoch heraus, dass unsere Formulierung dramatisch mehr halten kann als bisher bekannt, was dazu beitragen könnte, die Kosten bei der Batterieherstellung zu senken“, sagte Zhang.
Da Lithium-Ionen-Batterien „Trockenbatterien“ sind, können sie nur Spuren von Feuchtigkeit enthalten, was spezielle Produktionsanlagen erfordert. Durch die Verwendung eines Elektrolyten aus zwei Arten von Salzen – einem Lithiumsalz und einer ionischen Flüssigkeit – konnte das Team jedoch eine Situation schaffen, in der wesentlich mehr Wassermoleküle stabil vom Elektrolyten absorbiert werden konnten.
Um die Experimentergebnisse zu untermauern und den zugrunde liegenden chemischen Mechanismus zu untersuchen, verwendete der Argonne-Computerwissenschaftler Wei Jiang den Theta-Supercomputer der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um Simulationen des Elektrolyten in der Nähe der Elektrodenoberfläche durchzuführen, um ein Bild des Verhaltens der Wassermoleküle zu erhalten. Das ALCF ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.
„Die Modellierung dieses komplexen Prozesses, der mehrere Längen- und Zeitskalen umfasst, erfordert die Leistung eines Supercomputers wie Theta“, sagte Jiang. ”Die Simulationen gaben uns einen Einblick auf atomarer Ebene, wie sich Wasser auf die Batterieleistung auswirkt, und lieferten Erkenntnisse, die mit Laborexperimenten allein nicht möglich waren.”
Schon geringe Wassermengen beeinträchtigen die Batterieleistung. Dies liegt daran, dass Wassermoleküle neben Wassermolekülen neben Wassermolekülen – nanoskalige „Pfützen“ – mit dem Elektrolyten selbst reagieren und korrosive Nebenprodukte erzeugen, die die Batterie zerfressen.
Die Simulationen des Teams ergaben jedoch, dass ein neuer Elektrolyt, der aus einem Lithiumsalz und einer ionischen Flüssigkeit besteht, Wasser trennen und binden kann, wodurch einzelne Wassermoleküle sequestriert werden. Die experimentelle Arbeit des Argonne-Teams zeigt, dass dieser neuartige Elektrolyt bis zu tausendmal mehr Wasser enthalten kann als Elektrolyte, die derzeit in Elektrofahrzeug- und Verbraucherbatterien verwendet werden.
Wie die Computersimulationen zeigen, liegt der Schlüssel darin, dass sich die Wassermoleküle nicht zu „Pfützen“ sammeln und dadurch an Reaktivität verlieren.
„Selbst an den Elektrodenoberflächen, die für Wassercluster anfällig sind, zeigen unsere atomistischen Simulationen, dass die einzelnen Wassermoleküle sehr stabil sind“, sagte Jiang.
Durch die Analyse der Clusterbildung von Wassermolekülen in der Elektrolytmatrix haben die Computersimulationen einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Wassertoleranz des Elektrolyten und der „Salzigkeit“ der Elektrolytkomponenten identifiziert.
„Bis zu einem gewissen Grad ermöglicht es uns ein salziger Elektrolyt, Wasser zu halten“, sagte Zhang. ”Das Wassermolekül wird von den verschiedenen Ionen in einem bestimmten Bereich von Konzentrationsverhältnissen im salzigen Medium eingefangen, wodurch es weniger reaktiv wird.”
Diese Studie bietet Batterieherstellern einen potenziellen Weg, Wasser in den Batterieherstellungsprozess einzubeziehen, was laut Zhang eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Herstellung ermöglicht.
Die Zellherstellung für die Validierung wurde in Argonnes Einrichtung für Zellanalyse, Modellierung und Prototyping (CAMP) durchgeführt.
Ein auf der Studie basierender Artikel „Ein umweltverträglicher Elektrolyt für Hochenergie-Lithium-Metall-Batterien“ erschien in der Ausgabe von ACS Applied Materials & Interfaces vom 19. November 2021.
Neben Zhang und Jiang gehören zu den weiteren Autoren der Abhandlung Qian Liu und Zhenzhen Yang von Argonne.
Die Forschung wurde vom DOE-Büro für Fahrzeugtechnologien im Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien finanziert. ALCF-Rechenzeit wurde im Rahmen der ASCR Leadership Computing Challenge des DOE vergeben.
Die Forschung wurde finanziert durch DAMHIRSCHKUH‘s Vehicle Technologies Office im Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. ALCF Rechenzeit wurde durch vergeben DAMHIRSCHKUH‘s ASCR Leadership-Computing-Challenge.
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Artikel mit freundlicher Genehmigung von Argonne National Laboratory. Von Jared Sagoff
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