Warum ist die Lithiumbatterie instabil?

Gegenwärtig wird die Verwendung von Lithium-Schwefel-Batterien immer umfangreicher, aber manchmal ist ihre Zyklusstabilität nicht zufriedenstellend. Wissenschaftler haben endlich die Antwort auf diese Frage gefunden, indem sie die Zusammensetzung ihrer Elektrolyte erforschten.

Wenn Sie Ihr Handy am meisten brauchen, machen Sie sich darüber Sorgen? Was tun Sie, wenn Sie ein Elektroauto fahren, wenn sich kein Strom im Auto befindet? Bei diesen Problemen kann Ihnen eine leichte Lithium-Schwefel-Batterie helfen! Die Energiespeicherkapazität ist mehr als doppelt so hoch wie die der Batterie im Supermarktregal, aber es gibt oft keinen Strom und die Lebensdauer ist nicht lang. Wissenschaftler der Gemeinsamen Forschungsstelle für Energiespeicherforschung (JCESR) und des Pacific Northwest National Laboratory haben einen der Gründe für dieses Problem entdeckt.

Sie fanden heraus, dass die im Elektrolyten in der Batterie verwendeten Salze einen großen Unterschied machen. Wenn ein Salz namens LiTFSI (Lithiumbis (trifluormethylsulfonimid)) zu einem Elektrolyten einer Batterie verarbeitet wird, kann die Testbatterie mehr als 200 Mal betrieben werden, während die maximale Lade- und Entlademenge beibehalten wird. In Lithium-Schwefel-Batterien bindet LiTFSI Lithium- und Schwefelatome an die Elektroden, setzt sie jedoch schnell frei. Im Gegensatz dazu hat ein ähnlicher Elektrolyt eine stärkere Bindungskraft an Lithium- und Schwefelatomen und wird überhaupt nicht freigesetzt. Das Ergebnis ist ein rascher Rückgang der Batterieleistung. Es gibt keine Energie, nachdem der akku Dutzende Male betrieben wurde.

Eines der Probleme von Elektrofahrzeugen ist, dass Fahrer nicht lange zwischen Ladestationen gefangen sein möchten, wenn sie auf der Autobahn fahren. Diese Besorgnis hat die Verbraucher dazu veranlasst, sich für den Kauf von Autos mit niedrigem Hubraum zu entscheiden. Die Ergebnisse dieser Studie ergänzen die Konstruktionsrichtlinien für Hochenergie-Lithium-Schwefel-Batterien um einen weiteren wichtigen Faktor.

Um die Wirkung des Elektrolyten auf Lithium-Schwefel-Batterien zu bestimmen, verwendete das Forscherteam LiTFSI und LiFSI für verwandte Experimente. LiTFSI und LiFSI sind sehr ähnliche Elektrolyte, nur LiFSI enthält weniger Kohlenstoff und Fluor als LiTFSI. Sie verwendeten die Geräte im molekularen Umweltlabor, um die Energie der Batterieladung und -entladung kontinuierlich zu testen, und untersuchten schließlich die Elektrode.

Sie fanden heraus, dass Lithium-Schwefel-Batterien, die LiTFSI als Elektrolyten verwenden, Lithiumatome durch Schwefelatome gebunden sind und Lithiumsulfid (LiSx) auf der Oberfläche der Elektrode gebildet wird. Bei Verwendung von LiFSI als Elektrolyt entsteht Lithiumsulfat (LiSOx). Durch Berechnung der Dichtheit der Kombination der beiden Lithiumverbindungen stellten sie fest, dass das Lithiumsulfid leicht gebrochen werden kann, um Lithium freizusetzen. Lithiumsulfat ist jedoch schwer zu trennen, so dass das Sauerstoffelement in Lithiumsulfat der Schuldige ist.

"Durch die Kombination der makroskopischen Komponentenanalyse mit der Simulation können wir sehen, welche Bindungen leicht aufgebrochen werden und was passiert, wenn die chemischen Bindungen aufbrechen." Dr. Ji-Guang (Jason) Zhang, der die Forschung am Nationalen Labor leitet, sagte: "Dieser Prozess ermöglicht es uns, das Verhalten von Elektrolyten zu identifizieren, bessere Elektrolyte zu entwickeln und die Lebensdauer von Lithium-Schwefel zu verlängern Batterien. "

Für Forscher besteht der nächste Schritt darin, Elektrolytadditive zu untersuchen, um eine Schutzschicht auf der Anodenoberfläche von Lithium zu bilden, um es vor Korrosion zu schützen.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.