Festkörperelektrolyte mit hervorragender Polymerchemie

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Membranen mit hohem Coulomb-Wirkungsgrad und stabilem Zellbetrieb bei höheren Spannungen

Sichere, kostengünstige und langlebige elektrische Energiespeicher sind unerlässlich, um den Fortschritt im Bereich des elektrischen Transports, der Technologie mobiler Geräte und autonomer Maschinen einschließlich Drohnen und fortschrittlicher Robotik aufrechtzuerhalten. Ein sehr gefragter Weg zu solchen Geräten führt über die Entwicklung der heutigen Lithium-Ionen-Batterien zu sogenannten „Metallbatterien“, welche die Graphitanode durch einen Alkalimetallblock, einschließlich Lithium, Natrium und Kalium, ersetzen. Jetzt haben sieben Wissenschaftler der Cornell University, Ithaca, im Staat New York vernetzte Polymernetzwerke entworfen, die entweder als Li-Metallanodenbeschichtung oder als alle Festkörperelektrolyte dienen – und in Nature Communications darüber berichtet. Ihre hervorragende Polymerchemie ist für die beeindruckende Leistung der Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan–Vollzellen verantwortlich.

Metallbatterien sind attraktiv, weil sie das Potenzial bieten, die Anodenkapazität um Faktoren von 3 bis 10 zu erhöhen und die Verwendung von Kathoden mit höherer Energiekonversion, einschließlich Schwefel und Sauerstoff, zu ermöglichen. Skalierbare Ansätze zur Bewältigung grundlegender Herausforderungen im Zusammenhang mit morphologischen und hydrodynamischen Instabilitäten an der Alkalimetallanode haben sich in den letzten Jahren als entscheidend für den Fortschritt erwiesen. Derzeit gibt es kein Elektrolyt- oder elektrochemisches Zelldesign, das all diese Herausforderungen bewältigt.

Die vielfältigen Lithium-Ionen-Batterien, kurz LIB, haben im Batteriemarkt die höchsten Wachstumsraten. Es gibt dutzende Elektrodenmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Daher muss der Typ genau klassifiziert werden, etwa das Kathoden- und Anodenmaterial – ob NMC-Graphit oder LFP-LTO – und weitere besondere Komponenten – oder, ob ein Festkörperelektrolyt statt eines flüssigen Elektrolyten verwendet wird. LIB-Kathoden bestehen aus einem Stromableiter (meist Aluminium-Folien), auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist, in dem der Strom und die Lithium-Ionen gespeichert werden können (nach: batterieforum-deutschland.de/lithium-ionen-batterien).

Younicos -Lithium-Ionen-Batterie Berlin Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Elektrochemische Zellen auf Alkalimetallanodenbasis werden als potenziell transformative Technologieplattformen zur Speicherung elektrischer Energie wissenschaftlich intensiv genutzt. Chemische, morphologische, mechanische und hydrodynamische Instabilitäten an der Metallanode führen zu ungleichmäßiger Metallbeschichtung und schlechter Anodenumkehrbarkeit, die zu den vielen bekannten Herausforderungen gehören, die den Fortschritt begrenzen. In Nature Communications berichten die Autoren, dass Festkörperelektrolyte auf Basis vernetzter Polymernetzwerke all diese Herausforderungen in Zellen auf Basis von Lithium-Metall-Anoden bewältigen können. Anhand von Transport- und elektrochemischen Analysen zeigen sie, dass durch die Manipulation thermodynamischer Wechselwirkungen zwischen kovalent im Netzwerk verankerten Polymersegmenten und „freien“ Segmenten, die zu einem oligomeren Elektrolyten gehören, der in den Netzwerkporen untergebracht ist, auf einfache Weise Hybrid-Elektrolyte erzeugt werden können, die gleichzeitig flüssigkeitsähnliche Barrieren für den Ionentransport und eine feststoffähnliche Beständigkeit gegen morphologische und hydrodynamische Instabilität aufweisen.

Nach herkömmlicher Meinung können Festkörperelektrolyte, die aus mechanisch starken und chemisch inerten Materialien bestehen, eine einheitliche Strategie zur Minderung aller Quellen der Instabilität in einer Metallbatterie bieten. Die Erfolge und Schwächen solcher Festkörper-Metallbatterien, vor allem solcher auf Basis von Li, beginnen sich aus grundlegenden und anwendungsorientierten Studien abzuleiten. Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:

  1. Schwierigkeiten bei der Suche nach Materialien, die gleichzeitig eine ausreichende mechanische Steifigkeit bieten, um die Wachstumskinetik von nicht-planaren Metallablagerungen zu verlangsamen und gleichzeitig einen schnellen Raumtemperatur-Schütt- und Grenzflächen-Ionen-Transport zu ermöglichen – insbesondere wenn die Alkalimetallelektrode in Verbindung mit hochkapazitiven interkalierenden Kathoden wie LiCoO2 (LCO), LiNiMnCoO2 (NMC) und LiNiCoAlO2 (NCA) verwendet wird.
  2. Unfähigkeit vieler der besten Elektrolytkandidaten, sich reversibel zu verformen und zu biegen, um Volumenänderungen an der Anode anzupassen.
  3. Komplexe, isolierende Zwischenphasen, die durch Festkörperelektrolyte in Kontakt mit der reaktiven Alkalimetallelektrode gebildet werden. Dichte Polyether-basierte Netzwerke mit hohen Vernetzungsdichten wurden auch in mehreren neueren Studien berichtet, um einige dieser Herausforderungen bei niedrigen Stromdichten effektiv zu bewältigen. In jüngerer Zeit berichteten Wei, et al., dass Flüssigelektrolyte, die Polymere mit hoher Molmasse enthalten, um molekulare Verflechtungen in der Flüssigkeit zu bilden und dadurch Viskoelastizität zu verleihen, effektiv bei der Stabilisierung der Abscheidung von Metallen bei mittleren Stromdichten sind, insbesondere bei Elektroden, die aus weicheren Alkalimetallen wie Natrium bestehen.

Studien-Hauptautor Lynden A. Archer: „Hier berichten wir über die Synthese, die physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften von dünnen, festen Polymerelektrolyten, die direkt auf der Oberfläche von Li-Metallanoden gebildet werden. Mit einer einfachen, lichtinitiierten chemischen Reaktionsstrategie zeigen wir, dass es möglich ist, auf Li hochelastische, festkörperreiche Polymerinterphasen zu erzeugen, die sich biegen und dehnen können, um Volumenänderungen an der Anode beim Li-Beschichten und Strippen anzupassen. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass die Wechselwirkungen und die Zusammensetzung solcher Elektrolyte in Gegenwart einer kompatiblen flüssigen Phase abgestimmt werden können, um feste, elastische Membranen zu erzeugen, die, ob als Zwischenphasen oder als Vollfestelektrolyte eingesetzt, den elektrochemischen Prozessen an der Anode ein hohes Maß an Reversibilität verleihen. Solche Materialien werden beispielsweise gezeigt, um die hydrodynamische Instabilität, die als Elektrokonvektion bezeichnet wird, durch eine unbegrenzte Verlängerung des diffusionsbegrenzten Ionenmigrationsregimes zu beseitigen. Zyklustests in elektrochemischen Zellen, die aus metallischen Li-Anoden und handelsüblichen Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid-(NCM)-Kathoden bestehen, zeigen weiterhin, dass die Membranen einen hohen Coulomb-Wirkungsgrad (CE) und einen stabilen langfristigen Zellbetrieb bei wesentlich höheren Spannungen ermöglichen, als dies bisher für Elektrolyte auf Etherbasis berichtet wurde. Die direkte Visualisierung der Li-Elektrotauchlackierung zeigt eindeutig, dass die Fähigkeit der in Kontakt mit der Li-Anode gebildeten elastischen Grenzflächen, die kompakte Abscheidung zu fördern, eine wichtige Quelle für die elektrochemische Stabilität und Vielseitigkeit der Materialien ist.“

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