Neuartige Lithium-Batterie mit hoher Energiedichte und Stabilität
Das Team von Prof. Dr. Francesco Ciucci an der Universität Bayreuth entwickelte eine neue Lithium-Batterie mit hoher Sicherheit und einfacher Herstellung.
Die Lithium-Metall-Festkörperbatterien verfügen über eine hohe Energiedichte und Stabilität. Mit Hilfe eines neuartigen Nitrat-basierten Additivs löste das Team die Inkompatibilitätsprobleme in Batterieelektrolyten und unterstrichen damit die Bedeutung des molekularen Designs bei der Entwicklung effektiver Additive für Quasi-Festkörperelektrolyte.
Erstmals ist es Prof. Dr. Francesco Ciucci, Lehrstuhl für Elektrodendesign für elektrochemische Energiesysteme an der Universität Bayreuth, in Zusammenarbeit mit seinen Forschungspartnern aus China gelungen, die Unverträglichkeit zwischen Lithiumnitrat und 1,3-Dioxolan (DOL) für den Einsatz in quasifesten Batterieelektrolyten zu lösen. Dies gelang ihnen durch die Integration eines neuartigen Additivs auf Nitratbasis. Dieser Fortschritt hat erhebliche Auswirkungen auf Festkörperbatterien. Er ermöglicht die Entwicklung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien, die nicht nur äußerst sicher und langlebig, sondern auch einfach herzustellen sind. Darüber hinaus werden bei diesem Verfahren die bestehenden Herstellungsmethoden für herkömmliche Flüssigbatterien beibehalten.
„Gleichzeitig gewährleistet der Festkörpercharakter der Batterien ein hohes Maß an Sicherheit, während ihre Herstellung einfach bleibt“, erklärt Prof. Ciucci. „Wir haben die Universalität des Ansatzes durch die Herstellung verschiedener Typen von Lithium-Metall-Batterien demonstriert. Insbesondere die hergestellte Pouch-Li-S-Zelle weist eine bessere Leistung auf als bisher dokumentierte Pouch-Li-S-Zellen“. In einer Studie, die in der Zeitschrift „Energy & Environmental Science“ veröffentlicht wurde, stellte das Forschungsteam von Prof. Ciucci ein neues Additiv, Triethylenglykoldinitrat, vor, das speziell für die Polymerisation von DOL entwickelt wurde. Das Forschungsteam zeigte, dass die Bildung einer stickstoffreichen Festelektrolyt-Zwischenschicht, die mit der Polymerisation einhergeht, schädliche parasitäre Reaktionen unterdrückt und die Effizienz der Batterien erhöht.
Auf der Grundlage der Studienergebnisse wurden mehrere Batteriezellen entwickelt. Unter ihnen konnte eine Knopfzelle im Labormaßstab mehr als 2000 Mal stabil geladen und entladen werden. Auch wurde auch eine 1,7-Ah-Li-S-Beutelzelle mit einer hohen Energiedichte von 304 Wh kg-1 und stabilen Zyklen hergestellt. Prof. Ciucci bestätigt: „Diese Studie unterstreicht die Bedeutung des Molekularstrukturdesigns bei der Entwicklung wirksamer Additive für Quasi-Festkörperelektrolyte. Sie stellt einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf die praktische Durchführbarkeit des Einsatzes von Quasi-Festkörperelektrolyten auf Poly-DOL-Basis in Lithium-Metall-Batterien dar.“
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