Batterietechnik: Neuer Elektrolyt beschleunigt den Ladevorgang von Lithium-Ionen-Akkus erheblich

Lithium-Ionen-Akkus sind derzeit der Akku-Standard. Sie kommen bei der großen Mehrzahl batteriebasierter Anwendungen zum Einsatz. Allerdings sind sie nicht perfekt. So haben sie eine relativ geringe Energiedichte und machen auch bei kalten Temperaturen Probleme. Fällt die Temperatur unter minus 20 Grad, beginnen der Elektrolyt sogar zu erstarren und die Leitfähigkeit sinkt drastisch. Forscher:innen aus China haben allerdings einen neuartigen Elektrolyt entdeckt, mit dem schnelle Ladevorgänge und hohe Leistung auch bei sehr niedrigen Temperaturen möglich sind.

Beeindruckend vor allem bei Kälte

Das Team rund um Di Lu von der Zhejiang Universität in China hat sich mit der Frage beschäftigt, welche Elektrolyte beim Einsatz in Lithium-Ionen-Akkus besonders effektiv und leistungsfähig sind. Dafür haben sie Batterien mit verschiedenen Elektrolyten unter unterschiedlichen Konditionen jeweils zehn Mal auf- und wieder entladen. Dabei beobachteten sie vor allem das Verhalten der Elektrolyte bei unterschiedlichen angelegten Spannungen und tiefen Temperaturen.

In diesem Experiment stach ein Elektrolyt aus der Masse heraus. Dabei handelte es sich um eine Lösung des Lithiumsalzes Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI) in dem Lösungsmittel Fluoracetrinitril. Diese Lösung wird FAN abgekürzt. Bei Raumtemperatur lag die Leitfähigkeit des Elektrolyts mit 30,3 Millisiemens pro Zentimeter etwa vier mal höher als bei herkömmlichen Batterien. Noch beeindruckter waren die Forscher:innen von der Leistung des Elektrolyts bei niedrigen Temperaturen. Bei minus 80 Grad Celsius leitete er noch mit 11,8 Millisiemens pro Zentimeter – so konnte er 10.000 mal schneller laden als andere Elektrolyte.

Neuartiger Transportmechanismus

Der Grund für diesen schnellen Ionen-Transport liegt im Verhalten der Elektrolytmoleküle. Diese formen verschiedene“Transport-Arrangements“ für die gelösten Lithium-Ionen. Teilweise bilden die Moleküle des Elektrolyts dabei eine Art Hülle um die Lithium-Ionen, die es ermöglicht, dass sich die ganze Struktur im Elektrolyten fortbewegt. „ Die Interaktionen von Solvent, Lithium-Anionen und Salz-Anionen kontrollieren die Eigenschaften des Elektrolyten, darunter seine Leitfähigkeit„, so das Team.

Die Art des Transports im Elektrolyt ist abhängig von der Konzentration des Lithium-Salzes im Elektrolyt und der Größe der Moleküle. Die Forscher:innen fanden heraus, dass die kleinen FAN-Moleküle zwei Umhüllungen um die Ionen bilden, wodurch eine Art Schlauch entsteht, der den Ionen-Transport von Elektrode zu Elektrode stark beschleunigt. Ein derartiger Ionen-Transport wurde bisher noch nicht beobachtet.

Nächste Generation von Lithium-Ionen-Akkus

Die Wissenschaftler:innen gehen davon aus, mit ihren Erkenntnissen neues Potential für die Entwicklung der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Akkus offengelegt zu haben. „Der Transportmechanismus durch Ligand-Kanäle bereitet den Weg für hochenergetische Batterien, die extremen Konditionen standhalten„, so das Team. Derartige Akkus würden nicht nur generell schneller laden, sondern müssten vor allem unter Extrembedingungen nicht mehr aufgeheizt werden. Theoretisch wäre es möglich, einen entsprechenden Akkus auch bei sehr niedrigen Temperaturen innerhalb von 10 Minuten von 10 auf 80 Prozent zu laden. Hinzu kommt, dass der neu entdeckte Mechanismus zum Ionen-Transport auch bei Batterien zum Einsatz kommen, die andere Metall-Ionen verwenden.

via South China Morning Post

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