Neue Lithiumbatterie mit einfacher Herstellung und hoher Sicherheit entwickelt

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Das Team von Prof. Dr. Francesco Ciucci an der Universität Bayreuth hat Festkörper-Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte und Stabilität entwickelt. Mithilfe eines neuartigen Additivs auf Nitratbasis lösten sie Unverträglichkeitsprobleme in Batterieelektrolyten und unterstrichen damit die Bedeutung des molekularen Designs für die Entwicklung wirksamer Additive für Quasi-Festkörperelektrolyte.

Prof. Dr. Francesco Ciucci, Lehrstuhlinhaber für Elektrodendesign für elektrochemische Energiesysteme an der Universität Bayreuth, gelang es erstmals in Zusammenarbeit mit seinen Forschungspartnern aus China, die Inkompatibilität zwischen Lithiumnitrat und 1,3-Dioxolan aufzuklären ( DOL) zur Verwendung in quasifesten Batterieelektrolyten. Dies gelang ihnen durch die Integration eines neuartigen Zusatzstoffes auf Nitratbasis. Dieser Fortschritt hat erhebliche Auswirkungen auf Festkörperbatterien. Es ermöglicht die Entwicklung von Festkörper-Lithium-Metall-Batterien, die nicht nur äußerst sicher und langlebig, sondern auch einfach herzustellen sind. Darüber hinaus werden bei diesem Verfahren die bestehenden Herstellungsmethoden herkömmlicher Flüssigbatterien beibehalten.

„Gleichzeitig gewährleistet die Festkörperbeschaffenheit der Batterien ein hohes Maß an Sicherheit, während ihre Herstellung einfach bleibt“, erklärt Prof. Ciucci. „Wir haben die Universalität des Ansatzes durch die Entwicklung verschiedener Arten von Lithium-Metall-Batterien demonstriert. Insbesondere weist die hergestellte Pouch-Li-S-Zelle eine überlegene Leistung im Vergleich zu zuvor dokumentierten Pouch-Li-S-Zellen auf.“

In einer in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ veröffentlichten Studie stellte das Forschungsteam von Prof. Ciucci einen neuen Zusatzstoff vor, Triethylenglykoldinitrat, der speziell dafür entwickelt wurde, die Polymerisation von DOL zu ermöglichen. Das Forschungsteam zeigte, dass die Bildung einer stickstoffreichen Festelektrolyt-Interphasenschicht gleichzeitig mit der Polymerisation parasitäre Zahnreaktionen unterdrückt und auch die Effizienz der Batterien erhöht.

Basierend auf den Studienergebnissen wurden mehrere Batteriezellen entwickelt. Darunter könnten Knopfzellen im Labormaßstab mehr als 2000 Mal stabil geladen und entladen werden. Interessanterweise wurde auch eine 1,7-Ah-Li-S-Pouchzelle mit einer hohen Energiedichte von 304 Wh kg-1 und stabilen Zyklen hergestellt. Prof. Ciucci bestätigt: „Diese Studie unterstreicht die Bedeutung des molekularen Strukturdesigns bei der Schaffung wirksamer Additive für Quasi-Festkörperelektrolyte. Sie stellt einen erheblichen Fortschritt in der praktischen Machbarkeit des Einsatzes von Quasi-Festkörperelektrolyten auf Poly-DOL-Basis dar.“ Lithium-Metall-Batterien.

Zilong Wang et al.; Auf dem Weg zu langlebigen, praktischen Lithium-Metall-Batterien: Weiterentwicklung der Machbarkeit von Quasi-Festkörperelektrolyten auf Poly-DOL-Basis durch ein neuartiges Additiv auf Nitratbasis; Energieumwelt. Sci., 2023, Vorabartikel

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