Lithium-Ionen-Batterien ohne Explosionsgefahr können praktisch werden

Chinesisch-amerikanische Wissenschaftler geben an, einen neuen Typ von Lithium-Ionen-Batterien auf der Basis eines Elektrolyten auf Hydrobasis entwickelt zu haben, der nicht nur das Explosionsrisiko herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien beseitigt, sondern auch eine Energiedichte auf dem Niveau herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien erreicht. Ionenbatterien, ein großer Schritt in Richtung praktischer Anwendung sicherer Lithium-Ionen-Batterien.

Diese Arbeit wurde von Professor Wangchunsheng von der University of Maryland, Dr. Yangzhongyin, und Xukang, einem leitenden Chemiker am US Army Research Laboratory, durchgeführt. Das Papier wurde im Joule-Magazin von American Cell Press veröffentlicht.

"Dies ist die erste Vier-Volt-Batterie, die einen Elektrolyten auf Wasserbasis erreicht. Im Prinzip ist dies ein wichtiger grundlegender Durchbruch", sagten Yangzhongyin und andere in einer E-Mail an Reporter. Sie erklärten, dass die Verwendung leicht entflammbarer organischer Elektrolyte in herkömmlichen handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellt. Das Problem beim Ersetzen organischer Elektrolyte durch nicht brennbare Elektrolyte auf Wasserbasis besteht darin, dass das elektrochemische Stabilisierungsfenster des ersteren im Allgemeinen weniger als 2 Volt beträgt. Sobald die Elektrodenspannung diese Zahl überschreitet, verliert der Elektrolyt an Stabilität und daher ist die Energiedichte begrenzt.

Der Schlüssel zu der neuen Studie besteht darin, den direkten Kontakt von Lithiummetall- oder Graphitelektroden mit Wassermolekülen in einem Elektrolyten auf Wasserbasis zu vermeiden, was zu einer Wasserstoffreduktion führt. Zu diesem Zweck entwickelten sie ein sehr hydrophobes kolloidales Schutzmaterial, das gleichmäßig auf die Oberfläche der Elektrode aufgetragen wurde und das Versagen der Elektrode aufgrund der Nebenreaktion der Wasserzersetzung wirksam verhinderte.

Noch wichtiger ist, dass sie fanden, dass im anfänglichen Lade- und Entladezyklus bestimmte Komponenten der Schutzschicht in situ eine dichtere und hydrophobere Festelektrolyt-Grenzflächenschicht auf der negativen Elektrodenoberfläche bildeten, was die negative Elektrodenoberfläche weiter passivierte. Und diese feste Grenzflächenschicht kann sich unter der Bedingung einer teilweisen Beschädigung selbst reparieren, was die Langzeitstabilität der Batterie gewährleistet.

Wangchunsheng und Xukang wiesen darauf hin, dass die Forschungsergebnisse neue Richtungen und Ideen für die Entwicklung einer sicheren Lithium-Ionen-Batterie auf Wasserbasis in Gaodianyas Fenster liefern. Im grundlegenden wissenschaftlichen Sinne können "stabile 4-Volt-Wasserelektrolyte verschiedenen elektrochemischen Geräten viele neue Möglichkeiten bieten". Gleichzeitig können Lithium-Ionen-Batterien auf Hydro-Basis die erforderlichen Sicherheitsvorrichtungen in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien beseitigen und das Gewicht der Batteriekomponenten weiter reduzieren.

Sie betonten, dass die aktuelle Studie nur eine Konzeptüberprüfung im Labor darstellt und dass bis zur Kommerzialisierung noch ein langer Weg vor uns liegt. Im nächsten Schritt planen sie, die chemische Zusammensetzung und Batteriestruktur der Elektrolytschutzschicht weiter zu optimieren und zu verbessern und die Batterielebensdauer von derzeit 70 auf 100 Zyklen auf den kommerziellen Standard von mehr als 500 Zyklen zu erhöhen.

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