Ein internationales Wissenschaftlerteam hat einen Weg gefunden, das Batteriedesign zu verbessern, um sicherere und leistungsstärkere Lithiumbatterien herzustellen.
Wissenschaftler setzen mit Neutronen den ersten Maßstab (eine Nanosekunde) für ein Polymer-Elektrolyt-Lithium-Salz-Gemisch. Die Erkenntnisse könnten die Leistung und Sicherheit von Lithiumbatterien verbessern. Bildnachweis: Phoenix Pleasant/ORNL, US-Energieministerium
Das Team nutzte quasielastische Neutronenstreuung am Oak Ridge National Laboratory, um den ersten Maßstab für eine Mischung aus Lithiumsalz und einem organischen Polymerelektrolyten zu setzen, nämlich eine Nanosekunde oder eine Milliardstel Sekunde.
„Alles kommt auf die Untersuchung von Materialien an“, sagte Eugene Mamontov, Gruppenleiter für chemische Spektroskopie am ORNL. „Und Polymerelektrolyte fangen nicht so Feuer wie flüssige Elektrolyte in Lithiumbatterien.“
Das Team nutzte die Neutronentechnik zur Validierung von Computersimulationen und beendete damit eine langjährige Debatte darüber, wie lange es dauert, bis Lithiumionen aus winzigen Käfigen aus Polymerelektrolyten ausbrechen. Die Geschwindigkeit, mit der sich Ionen in einer Batterie aus solchen Umgebungen oder Solvatisierungskäfigen in Polymerelektrolyten befreien, bestimmt, wie Energie durch die Batterie fließt. Polymerelektrolyte könnten energiedichtere Elektroden wie Lithiummetall ermöglichen, was zu leistungsstärkeren Lithiumbatterien führen würde.
Die Ergebnisse öffnen auch Türen für ein schnelles Screening neuer Batteriematerialien am ORNL. „Neutronen reagieren sehr empfindlich auf Wasserstoff, der in praktisch allen Elektrolyten vorhanden ist. Dies ermöglichte es uns, zu sehen, wie es sich im System bewegte, und die Dynamik des Polymerelektrolyten in einem noch nie dagewesenen Detaillierungsgrad zu verstehen. Anders hätten wir Zeit und Dauer nicht bestimmen können“, sagte Naresh Osti, ORNL-Neutronenstreuungswissenschaftler.
„Nareshs und Eugenes Interpretation der Neutronendaten aus dem Experiment am ORNL öffnete uns die Augen für das Verständnis des Ausmaßes, in dem Lithiumionen in Polymerelektrolyten eingesperrt sind. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass dieser allgemeine Ansatz auf flüssige Elektrolyte anwendbar ist“, sagte Nitash Balsara, Charles W. Tobias Professor für Elektrochemie an der University of California, Berkeley.
Quelle: Oak Ridge National Laboratory
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