Durchbruch bei Festelektrolyt-Grenzflächenkomponenten von Lithiumbatterien

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien heute der Hauptbestandteil der energiespeicherung sind, ist die molekulare und atomare Grundlagenforschung des Ladens und Entladens immer noch ein Rätsel.

Laut der Studie des Argonne National Laboratory in NatureCatalysis des Energieministeriums hat das Forscherteam einen Durchbruch in der chemischen Zusammensetzung der Festelektrolytgrenzfläche (Festelektronenelektrolyt, SEI) zwischen der Elektrode und dem Flüssigelektrolyten erzielt. Dies wird dazu beitragen, die Fähigkeit des Teams zu verbessern, die für Hersteller von Elektrofahrzeugen entscheidende Batterielebensdauer vorherzusagen, sagte Dusan Strmcnik, Chemieingenieur am Materials Science Department (MSD) des Argonne National Laboratory.

Wissenschaftler haben sich seit langem dem Cracken der Lithium-Ionen-Batterie SEI verschrieben, wissen jedoch nur, dass die Bildung der Batterie beim Wiederaufladen eine SEI bildet und auf der Graphitelektrode ein Film mit einer Dicke von eintausendtausend Millionen Millimetern erzeugt wird und der Film kann die Grenzfläche vor schädlichen Reaktionen schützen. Gleichzeitig pendeln Lithiumionen zwischen Elektroden und Elektrolyten, so dass für Lithiumionenbatterien eine leistungsfähige SEI eine notwendige Bedingung ist. Strmcnik wies darauf hin, dass die Effizienz und Lebensdauer der Batterie von der SEI-Qualität abhängt. Wenn Wissenschaftler ihre chemischen Eigenschaften und unabhängigen Zusammensetzungsregeln herausfinden können, können sie die Batterieeffizienz durch SEI verbessern.

Daher bildete das Argonne National Laboratory ein internationales Forschungsteam mit der Universität Kopenhagen, Dänemark, der Technischen Universität München und der BMW Group und löste erfolgreich Lithiumfluorid, eine übliche chemische Substanz der Lithium-Ionen-Batterie SEI.

Experimente und Berechnungen zeigen, dass während des Batterieladens elektrochemische Reaktionen mit Fluorwasserstoff erzeugt werden und Lithiumfluorid vom Elektrolyten in einen festen Zustand umgewandelt wird und Wasserstoff erzeugt wird. Solche Reaktionen beruhen stark auf Elektrodenmaterialien wie Graphit, Graphen und Metallen. Dies beweist die Bedeutung von Batteriekatalysatoren.

Das Team entwickelte auch eine neue Methode zum Nachweis von Fluorwasserstoffkonzentrationen. Da Fluorwasserstoff eine schädliche Substanz ist, die durch Feuchtigkeit und Lithiumsalz (LiPF6) gebildet wird, ist diese Nachweismethode der Schlüssel für die zukünftige wissenschaftliche Forschung von SEI. Der Forscher NenadMarkovic sagte, dass die Studie in Zukunft im BMW Battery Research Center getestet wird. Der nächste Schritt in der Studie besteht darin, eine neue Lithium-Ionen-Batterietechnologie zu entwickeln, die heute einen weiteren Weg für Lithium-Ionen-Batterien eröffnet.

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