Festkörperbatterien könnten Elektrolyt aus Zellulose verwenden

Festkörperbatterien sind der heilige Gral der Lithium-Ionen-Batterien. Heutzutage verwenden die meisten Batterien eine halbflüssige Paste zwischen Anode und Kathode. Manchmal treten in der Paste Dendriten – harte Spitzen aus Lithiummetall – auf, die einen internen Kurzschluss verursachen können. In diesem Fall überhitzt die Batteriezelle so weit, dass die flüchtigen Chemikalien in der Paste Feuer fangen. Wenn sich eine Zelle entzündet, führt dies zu einer Überhitzung der benachbarten Zellen, was zu einem vollständigen thermischen Durchgehen führt.

Festkörperbatterien enthalten keine flüchtigen Chemikalien, keine Dendriten und keine Brandgefahr. Warum nutzen die Hersteller von Elektrofahrzeugen sie nicht? Denn die Technologie ist noch immer auf Labore beschränkt. Heutzutage gibt es keine kommerziell erhältlichen Festkörperbatterien, obwohl Unternehmen dies gerne tun Quantenlandschaft, LadenDot, Solide Kraft, und andere investieren Millionen von Dollar, um sie für die Massenproduktion vorzubereiten. Das am häufigsten genannte Datum, wenn es um Festkörperbatterien geht, ist möglicherweise das Jahr 2025.

Die meisten Forscher, die an Festkörperbatterien arbeiten, verwenden Keramik als Elektrolyt, diese ist jedoch spröde, was die Batterielebensdauer begrenzt. Wissenschaftler der Brown University und der University of Maryland sind jedoch auf eine neuartige Idee gekommen. Sie nutzen Cellulose-Nanofibrillen, die in aus Holz gewonnener Cellulose vorkommen, als Ausgangspunkt für einen Festkörperelektrolyten. Das Material, das sie entdeckt haben, ist hauchdünn, wodurch es sich biegen und biegen kann, um Belastungen aufzunehmen, wenn die Batterie zyklisch läuft. Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Aus Zellulose gewonnene Polymerröhren werden mit Kupfer kombiniert, um einen festen Ionenleiter zu bilden, der eine ähnliche Leitfähigkeit wie Keramik aufweist und bis zu 100-mal besser als andere Polymer-Ionenleiter ist. Nach Angaben des Forschungsteams schafft die Zugabe von Kupfer Raum zwischen den Cellulose-Polymerketten, der „Ionen-Superhighways“ ermöglicht, über die sich Lithium-Ionen mit Rekordeffizienz fortbewegen können.

„Durch den Einbau von Kupfer in eindimensionale Cellulose-Nanofibrillen haben wir gezeigt, dass die normalerweise ionenisolierende Cellulose einen schnelleren Lithium-Ionen-Transport innerhalb der Polymerketten ermöglicht“, sagt Co-Autor Liangbing Hu. „Tatsächlich haben wir herausgefunden, dass dieser Ionenleiter eine rekordverdächtige Ionenleitfähigkeit unter allen festen Polymerelektrolyten erreicht.“

Da das Material hauchdünn und flexibel ist, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass es den Belastungen durch Batteriewechsel besser standhält. Sie sagen, dass es über die elektrochemische Stabilität verfügt, um eine Lithium-Metall-Anode und Hochspannungskathoden aufzunehmen. Es könnte auch als Bindemittelmaterial dienen, das ultradicke Kathoden in Batterien mit hoher Dichte umhüllt.

„Die Lithiumionen bewegen sich in diesem organischen Festelektrolyten über Mechanismen, die wir typischerweise in anorganischen Keramiken finden, und ermöglichen so die rekordhohe Ionenleitfähigkeit“, sagt Co-Autor Yue Qi. „Die Verwendung von Materialien, die die Natur bereitstellt, wird die Gesamtauswirkungen der Batterieherstellung auf unsere Umwelt verringern.“

Executive Summary

Für Leser, die weitere technische Details wünschen, finden Sie hier die Zusammenfassung des Berichts.

„Obwohl Festkörper-Lithium-Metall-Batterien sowohl eine hohe Energiedichte als auch Sicherheit versprechen, genügen bestehende Festionenleiter nicht den strengen Anforderungen des Batteriebetriebs. Anorganische Ionenleiter ermöglichen einen schnellen Ionentransport, ihre starre und spröde Beschaffenheit verhindert jedoch einen guten Grenzflächenkontakt mit Elektroden.

„Umgekehrt bieten Polymer-Ionenleiter, die Li-Metall-stabil sind, normalerweise eine bessere Grenzflächenkompatibilität und mechanische Toleranz, leiden aber typischerweise unter einer schlechteren Ionenleitfähigkeit aufgrund der Kopplung des Ionentransports mit der Bewegung der Polymerketten. 

„Hier berichten wir über eine allgemeine Strategie zur Erzielung leistungsstarker fester Polymer-Ionenleiter durch die Konstruktion molekularer Kanäle. Durch die Koordination von Kupferionen (Cu2+) mit eindimensionalen Cellulose-Nanofibrillen zeigen wir, dass die Öffnung molekularer Kanäle innerhalb der normalerweise ionenisolierenden Cellulose einen schnellen Transport von Li+-Ionen entlang der Polymerketten ermöglicht.

„Neben der hohen Li+-Leitfähigkeit (1.5 × 10−3 Siemens pro Zentimeter bei Raumtemperatur entlang der Molekülkettenrichtung) weist der Cu2+-koordinierte Cellulose-Ionenleiter auch eine hohe Übertragungszahl auf (0.78, verglichen mit 0.2–0.5 in anderen Polymeren). ) und ein breites Fenster der elektrochemischen Stabilität (0–4.5 Volt), das sowohl die Li-Metallanode als auch die Hochspannungskathoden aufnehmen kann.

„Dieser eindimensionale Ionenleiter ermöglicht auch die Ionenperkolation in dicken LiFePO4-Festkörperkathoden für den Einsatz in Batterien mit hoher Energiedichte. Darüber hinaus haben wir die Universalität dieses molekularen Kanal-Engineering-Ansatzes mit anderen Polymeren und Kationen überprüft und ähnlich hohe Leitfähigkeiten erzielt, mit Auswirkungen, die über sichere Hochleistungs-Festkörperbatterien hinausgehen könnten.“

Hmm ... ich bin kein Wissenschaftler, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass LiFePO4 die wissenschaftliche Abkürzung für die LFP-Batterien ist, die plötzlich populär geworden sind Autohersteller wie Tesla. Normalerweise haben diese Batterien eine geringere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, aber wenn diese Forscher Recht haben, könnte diese Sorge eines Tages ausgeräumt sein.

Es ist bedauerlich, dass es oft Jahre dauert, bis neue Technologien aus dem Labor in die kommerzielle Produktion gelangen. Den Ungeduldigen können wir nur sagen: „Geduld, Grashüpfer.“ Es dauerte ein Jahrhundert, bis der Verbrennungsmotor perfektioniert war. Angesichts des heute möglichen Stands des technologischen Wandels wird es nicht annähernd so lange dauern, die Batterien zu perfektionieren, die wir brauchen, um die Revolutionen bei Elektrofahrzeugen und Energiespeichern voranzutreiben.

Die Aussicht auf kostengünstige Hochleistungsbatterien mit geringem oder gar keinem Risiko eines thermischen Durchgehens ist spannend. Eines Tages werden unsere Enkelkinder in einem Museum Lithium-Ionen-Batteriezellen aus dem Jahr 2007 sehen und sich wundern, dass Autos einst solch primitive Geräte verwendeten. Das ist unvermeidlich. Wir können es kaum erwarten, bis es passiert!

 

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Quelle: https://cleantechnica.com/2021/10/25/solid-state-batteries-could-use-electrolyte-derived-from-cellulose/