Anodenfreie Batterien verdoppeln die Reichweite von Elektrofahrzeugen mithilfe neuartiger Elektrolyttechnologie

Pohang University of Science &Technology (POSTECH), Pohang, Korea

Schematische Darstellung und Pouch-Zelle eines reversiblen, vom Wirt entworfenen Elektrolyten mit seiner Zyklusleistung. (Bild:Die Forscher)

Ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Professor Soojin Park und Dr. Dong-Yeob Han von der Fakultät für Chemie bei POSTECH hat zusammen mit Professor Nam-Soon Choi und Dr. Saehun Kim von KAIST sowie Professor Tae Kyung Lee und dem Forscher Junsu Son von der Gyeongsang National University erfolgreich eine volumetrische Energiedichte von 1270 Wh/L in einer anodenfreien Lithium-Metall-Batterie erreicht. Dieser Wert ist fast doppelt so hoch wie der der derzeit in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien, die typischerweise rund 650 Wh/L liefern. Der Erfolg wurde in Advanced Materials veröffentlicht.

Bei einer anodenfreien Lithium-Metall-Batterie entfällt die herkömmliche Anode vollständig. Stattdessen bewegen sich die in der Kathode gespeicherten Lithiumionen während des Ladevorgangs und lagern sich direkt auf einem Kupferstromkollektor ab. Durch das Entfernen unnötiger Komponenten kann mehr Innenraum für die Energiespeicherung bereitgestellt werden, ähnlich wie wenn mehr Kraftstoff in einen Tank gleicher Größe passt. However, this design comes with serious challenges. Wenn sich Lithium ungleichmäßig ablagert, können sich scharfe, nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten, bilden, was das Risiko von Kurzschlüssen und potenziellen Sicherheitsrisiken erhöht. Auch wiederholtes Laden und Entladen kann die Lithiumoberfläche beschädigen und die Lebensdauer der Batterie schnell verkürzen.

Um diese Probleme anzugehen, verfolgte das Forschungsteam eine duale Strategie, bei der ein reversibler Wirt (RH) und ein entworfener Elektrolyt (DEL) kombiniert wurden. Der reversible Wirt besteht aus einem Polymergerüst, in das gleichmäßig verteilte Silber (Ag)-Nanopartikel eingebettet sind, wodurch die Ablagerung von Lithium an bestimmten Stellen und nicht zufällig erfolgt. Vereinfacht ausgedrückt fungiert es wie ein spezieller Parkplatz für Lithium, der eine geordnete und gleichmäßige Ablagerung gewährleistet.

Der entwickelte Elektrolyt erhöht die Stabilität weiter, indem er auf der Lithiumoberfläche eine dünne, aber robuste Schutzschicht aus Li₂O und Li₃N bildet. Diese Schicht wirkt wie ein Verband auf der Haut und verhindert schädliches Dendritenwachstum, während die Wege für den Lithium-Ionen-Transport offen bleiben.

In Kombination lieferte das RH-DEL-System eine hervorragende Leistung. Unter hoher Flächenkapazität (4,6 mAh cm -2 ) und Stromdichte (2,3 mA cm -2). ) behielt die Batterie nach 100 Zyklen noch 81,9 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität und erreichte einen durchschnittlichen Coulomb-Wirkungsgrad von 99,6 Prozent. Diese Ergebnisse ermöglichten es dem Team, die rekordverdächtige volumetrische Energiedichte von 1270 Wh/L in anodenfreien Lithium-Metall-Batterien zu erreichen.

Wichtig ist, dass diese Leistung nicht nur in kleinen Laborzellen validiert wurde, sondern auch in Beutelbatterien, die näher an realen Elektrofahrzeuganwendungen sind. Auch bei minimaler Elektrolytmenge (E/C =2,5 g Ah -1). ) und unter niedrigem Stapeldruck (20 kPa) arbeiteten die Batterien stabil. Dies zeigt ein großes Potenzial zur Reduzierung des Batteriegewichts und -volumens bei gleichzeitiger Verringerung des Herstellungsaufwands, was die kommerzielle Rentabilität erheblich verbessert.

Professor Soojin Park kommentierte:„Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Durchbruch dar, indem sie gleichzeitig Effizienz- und Lebensdauerprobleme in anodenfreien Lithium-Metall-Batterien angeht.“ Professor Tae Kyung Lee fügte hinzu:„Unsere Studie zeigt, dass ein Elektrolytdesign auf Basis kommerziell verfügbarer Lösungsmittel sowohl eine hohe Lithiumionenmobilität als auch Grenzflächenstabilität erreichen kann.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Nam-Soon Choi unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.