Sichere Lithiumbatterien auf Wasserbasis bieten Energie

2020-04-21 11:24:59

Lithium-Ionen-Batterien, die Elektrolyte auf Wasserbasis anstelle von brennbaren Lösungsmitteln verwenden, würden wiederaufladbare Geräte sicherer machen. Die Leistung von Batterien auf Wasserbasis war jedoch unterdurchschnittlich. Mit dem Entwurf einer neuartigen Kathode mit hoher Kapazität haben Forscher eine wässrige Lithium-Ionen-Batterie hergestellt, die eine mit kommerziellen Geräten vergleichbare Energiedichte aufweist und auch weniger wahrscheinlich explodiert (Nature, 2019. DOI: 10.1038 / s41586-019) -1175-6).

Die Batterie sollte kostengünstig und umweltfreundlich sein und nicht nur sicherer. Dies liegt daran, dass die Kathode aus Graphit- und Lithiumhalogenidsalzen seltene, teure Metalle wie Kobalt und Nickel entfernt, die in herkömmlichen Kathoden enthalten sind.

Forscher arbeiten seit über zwei Jahrzehnten an Lithiumbatterien auf Wasserbasis. Ein Nachteil von wässrigen Elektrolyten besteht darin, dass sie nur bei niedrigen Spannungen (etwa 1,2 V) arbeiten und daher nicht genügend Strom für Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone liefern können, die 4 V benötigen. Wie bei jeder anderen Batterie bestand die Herausforderung darin, die zu finden richtige Kombination von Elektrode und Elektrolytmaterial für hohe Spannung, Energiedichte und Lebensdauer. Für einen Spannungsanstieg entwickelten der chemische und biomolekulare Ingenieur der Universität von Maryland, Chunsheng Wang, und seine Kollegen vom US Army Research Laboratory zuvor Wasser-in-Salz-Elektrolyte, bei denen es sich um hochkonzentrierte, klebrige Gele aus Lithiumsalzen handelt. Durch die Kombination dieser Elektrolyte mit Schutzbeschichtungen für Anoden wurden 4-V-Batterien hergestellt (Science 2015, DOI: 10.1126 / science.aab1595).

Das Team hat sich nun auf die Kathode konzentriert. In einer Lithium-Ionen-Batterie bewegen sich Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden hin und her. Die Energiedichte der Batterie hängt davon ab, wie gut die Elektroden Ionen aufnehmen und abgeben. Die meisten Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich der bisher hergestellten wässrigen, verwenden Lithium-Metalloxid-Kathoden und Graphitanoden.

Graphit hält viel mehr Ladung als die Lithiummetalloxide, da Lithiumionen zwischen den leichten Kohlenstoffschichten des Graphits interkalieren oder leicht rutschen. Deshalb entschied sich Wangs Gruppe, Graphit auch für die Kathode zu verwenden. Andere haben dies bereits versucht, indem sie reinen Graphit für die Elektroden und eine Lithiumsalzlösung als Elektrolyten verwendeten. Diese Konstruktionen verbrauchen jedoch Lithium und andere Ionen aus dem Elektrolyten, so dass sie eine große Menge Elektrolyt benötigen, sagt der Postdoktorand Ji Chen. Diese erhöhte Masse bedeutet, dass die Batterien eine geringere Energiedichte haben.

Um dem entgegenzuwirken, haben er und seine Kollegen ihre Graphitkathode mit Lithiumbromid- und Lithiumchloridpulvern vorgeladen. Diese Halogenidsalze lösen sich nicht im hochkonzentrierten Gelelektrolyten - sie bleiben stehen. Die Lithiumionen können sich jedoch bewegen und in die Kathode hinein und aus dieser heraus wandern, wenn die Batterie entladen und wieder aufgeladen wird. "Bei diesem Prozess wird kein Salz im Elektrolyten verbraucht, sodass kein Elektrolyt in großen Mengen benötigt wird", sagt Chen.

Diese Strategie erhöht die Energiedichte der Kathode auf 970 Wh / kg, fast doppelt so viel wie die in Smartphone-Batterien verwendeten Lithium-Kobaltoxid-Kathoden und höher als bei Kathoden auf Nickel- und Kobaltbasis nach dem Stand der Technik. Die Forscher kombinierten die Kathode mit einer Anode aus reinem Graphit, um eine vollständige Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Energiedichte von 460 Wh / kg herzustellen, die der einiger der besten kommerziellen Batterien entspricht.

„Diese Arbeit berichtet über mehrere wichtige Meilensteine für wässrige Ionenbatterien und bietet einen großen Sprung in Richtung ihrer kommerziell nutzbaren Verwendung in stationären Speichern und möglicherweise sogar in elektrischen Transportanwendungen“, sagt Gleb Yushin, Materialwissenschaftler und Ingenieur am Georgia Institute of Technology.

Er sagt jedoch, es sei weit von der kommerziellen Bereitschaft entfernt. Die Forscher müssen noch mehrere wissenschaftliche und technische Probleme lösen, um mit den neuesten kommerziellen Zellen konkurrieren zu können, sagt Yushin. Die Kapazität des Akkus beginnt beispielsweise nach 150 Zyklen zu schwinden und muss auch in einem breiten Temperaturbereich stabil sein.

Der Postdoktorand Chongyin Yang sagt, dass sie jetzt versuchen, diese Probleme anzugehen und auch mit der Verwendung von Fluor an der Kathode experimentieren. "Es ist eines der leichtesten Elemente, und wenn wir das nutzen könnten, würde es die Energiedichte weiter steigern", sagt er.