Sichererer Elektrolyt für Lithium

Sichererer Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien funktioniert gut in kalten Regionen. Elektrofahrzeuge nehmen weltweit stark zu; Sie könnten in Zukunft Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen ersetzen, da Elektrofahrzeuge effizienter sind als Fahrzeuge mit Kraftstoff, geringere Betriebskosten haben, weniger Wartung erfordern und umweltfreundlich sind. Batterien sind die am häufigsten in Elektrofahrzeugen verwendeten chemischen Energiespeichersysteme. Lithium-Ionen-Batterien sind das dominierende Batteriesystem in Elektrofahrzeugen, da sie eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer aufweisen.

Allerdings können extrem niedrige Temperaturen die Energie- und Leistungskapazität von Lithium-Ionen-Batterien verringern. Das Hauptproblem liegt im flüssigen Elektrolyten, der ladungstragende Teilchen, sogenannte Ionen, zwischen den beiden Elektroden der Batterie transportiert und so das Laden und Entladen der Batterie bewirkt. Doch bei Minustemperaturen beginnt die Flüssigkeit zu gefrieren, was die Wirksamkeit des Ladens von Elektrofahrzeugen in kalten Regionen und Jahreszeiten einschränkt.

Um diese Probleme zu überwinden, hat das Wissenschaftlerteam des US-Energieministeriums (DOE), der Argonne National Laboratories und der Lawrence Berkeley National Laboratories einen fluorhaltigen Elektrolyten entwickelt, der auch bei Minustemperaturen eine gute Leistung erbringt.

Das Team untersuchte viele fluorierte Lösungsmittel. Sie identifizierten die Struktur mit der niedrigsten Energiebarriere für die Freisetzung von Lithiumionen aus den Clustern bei Temperaturen unter Null.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Fluorierung oder höhere Fluorierungsgrade in der Nähe der Estergruppe einen stärkeren elektronenziehenden Effekt haben, was zu geringeren Atomladungen, geringerer Bindungsenergie an das Li-Ion, geringerer Ionenleitfähigkeit und schlechter Löslichkeit bei niedrigen Temperaturen führt.

Sie ermittelten auch auf atomarer Ebene, warum diese besondere Struktur so gut funktionierte. Dies hängt von der Position und Anzahl der Fluoratome in jedem Lösungsmittelmolekül ab.

In Laborzellentests behielt der fluorierte Elektrolyt des Teams über 400 Lade-Entlade-Zyklen eine stabile Energiespeicherkapazität bei minus 4 Grad Fahrenheit bei. Selbst bei dieser Minustemperatur entsprach die Kapazität der einer Zelle mit einem herkömmlichen Elektrolyten auf Carbonatbasis bei Raumtemperatur.

Frostschutzelektrolyt hat den Vorteil, dass es sicherer ist als die derzeit verwendeten Elektrolyte auf Carbonatbasis, da es nicht brennbar ist.

Das DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office finanzierte diese Arbeit.

Fluorierter Elektrolyt funktioniert bei Minustemperaturen, was Elektrofahrzeuge in Gebieten mit niedrigen Temperaturen nützlich macht. Außerdem kann dies dazu beitragen, die Batterietechnologie weiterzuentwickeln und für verschiedene Zwecke einzusetzen.

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Sichererer Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien funktioniert gut in kalten Regionen, 22. Mai 2023