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Argonne National Lab entwickelt Lithium-Ionen-Batterien, die auch bei Kälte funktionieren

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Forscher am Argonne National Lab glauben, dass sie eine Lösung für Lithium-Ionen-Batterien gefunden haben, die bei Kälte schlecht funktionieren.

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Menschen, die in kalten Klimazonen leben und Elektroautos fahren, wissen, dass die Lithium-Ionen-Batterien in ihrem Auto bei Minusgraden nicht so gut funktionieren. Sie lassen sich nicht so schnell aufladen und kommen nicht so weit. Das ist ein Problem, aber das Argonne National Laboratory sagt, dass es die Antwort darauf haben könnte.

In einem Blog-Beitrag schreiben die Wissenschaftler von Argonne, dass in den heutigen Lithium-Ionen-Batterien der flüssige Elektrolyt, der den Ionen beim Laden und Entladen der Batterie als Transportweg zwischen Kathode und Anode dient, bei Minusgraden zu gefrieren beginnt. Dieser Zustand schränkt die Effektivität des Aufladens von Elektrofahrzeugen in kalten Regionen und Jahreszeiten stark ein.

Argonne National Lab hat vielleicht die Antwort

Ein Team von Wissenschaftlern der Argonne und Lawrence Berkeley National Laboratories hat in Zusammenarbeit einen fluorierten Elektrolyten entwickelt, der auch bei Minusgraden gut funktioniert. "Unsere Forschung hat gezeigt, wie man die atomare Struktur von Elektrolyt-Lösungsmitteln maßschneidern kann, um neue Elektrolyte für Minustemperaturen zu entwickeln", sagt John Zhang, der die Forschungsgruppe am Argonne National Lab leitet.

"Unser Team hat nicht nur einen Frostschutzelektrolyten gefunden, dessen Ladeleistung bei minus 4 Grad Celsius nicht nachlässt, sondern wir haben auch auf atomarer Ebene herausgefunden, was ihn so wirksam macht", so Zhang, der leitender Chemiker und Gruppenleiter in der Abteilung für chemische Wissenschaften und Ingenieurwesen von Argonne ist. Dieser Niedrigtemperatur-Elektrolyt ist vielversprechend für Batterien in Elektrofahrzeugen sowie für die Energiespeicherung in Stromnetzen und Unterhaltungselektronik wie Computern und Telefonen.

Wie Lithium-Ionen-Batterien funktionieren

Man muss nicht wissen, wie eine Batterie funktioniert, um ein Elektroauto zu fahren, so wie man auch nicht wissen muss, wie ein Viertaktmotor funktioniert, um ein herkömmliches Auto zu fahren. Die meisten von uns haben wahrscheinlich kaum mehr als ein rudimentäres Verständnis davon, wie Lithium-Ionen-Batterien funktionieren. Das Argonne Lab erklärt, dass der Elektrolyt, der heute in den meisten Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, eine Mischung aus einem weit verbreiteten Salz - Lithiumhexafluorophosphat - und Karbonatlösungsmitteln wie Ethylencarbonat ist. Die Lösungsmittel lösen das Salz auf und bilden eine Flüssigkeit.

Wenn eine Batterie geladen wird, transportiert der flüssige Elektrolyt Lithiumionen von der Kathode, die in der Regel aus einem lithiumhaltigen Oxid besteht, zur Anode, die in der Regel aus Graphit besteht. Diese Ionen wandern aus der Kathode heraus und durchqueren dann den Elektrolyten auf dem Weg zur Anode. Während sie durch den Elektrolyten transportiert werden, sitzen sie in der Mitte von Clustern aus vier oder fünf Lösungsmittelmolekülen.

Während der ersten paar Ladungen treffen diese Cluster auf die Anodenoberfläche und bilden eine Schutzschicht, die so genannte Festkörper-Elektrolyt-Interphase. Einmal gebildet, wirkt diese Schicht wie ein Filter. Sie lässt nur noch die Lithiumionen durch, während sie die Lösungsmittelmoleküle abblockt. Auf diese Weise kann die Anode Lithiumatome in der Struktur des Graphits speichern, wenn die Batterie geladen wird. Während der Entladungsphase werden durch elektrochemische Reaktionen Elektronen aus dem Lithium freigesetzt, um Strom zu erzeugen, der dann zum Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet wird.

Warum die Leistung bei Kälte sinkt

Wenn die Temperatur sinkt, beginnt der Elektrolyt mit den Karbonatlösungsmitteln zu gefrieren. Das wiederum führt dazu, dass er seine Fähigkeit verliert, Lithiumionen während des Ladevorgangs zur Anode zu transportieren, da die Lithiumionen so fest in den Lösungsmittelclustern gebunden sind. Daher benötigen diese Ionen viel mehr Energie, um ihre Cluster zu verlassen und die Grenzschicht zu durchdringen, als dies bei Raumtemperatur der Fall ist. Die Wissenschaftler glaubten, dass die Lösung für die schlechte Leistung bei kaltem Wetter darin bestand, ein besseres Lösungsmittel zu finden, das nicht einfriert.

Das Team untersuchte mehrere Lösungsmittel, die mit Fluor versetzt waren, und konnte dasjenige identifizieren, das die niedrigste Energiebarriere für die Freisetzung von Lithiumionen aus den Clustern bei Minustemperaturen aufwies. Sie ermittelten auch auf atomarer Ebene, warum diese spezielle Zusammensetzung so gut funktionierte - sie war abhängig von der Position der Fluoratome in jedem Lösungsmittelmolekül und ihrer Anzahl.

Bei Tests mit Laborzellen behielt der fluorierte Elektrolyt seine stabile Energiespeicherkapazität über 400 Lade-/Entladezyklen bei minus 4 Grad Celsius bei. Selbst bei dieser Temperatur entsprach die Kapazität der Batterie der einer Zelle mit einem herkömmlichen Elektrolyten auf Karbonatbasis bei Raumtemperatur. "Unsere Forschung hat somit gezeigt, wie man die atomare Struktur von Elektrolyt-Lösungsmitteln anpassen kann, um neue Elektrolyte für Minustemperaturen zu entwickeln", so Zhang.

Der Frostschutz-Elektrolyt hat noch einen weiteren wichtigen Vorteil. Er ist viel sicherer als die derzeit verwendeten Elektrolyte auf Karbonatbasis, da er sich nicht entzünden kann. "Wir lassen unseren Niedrigtemperatur- und Sicherheitselektrolyten patentieren und suchen jetzt nach einem Industriepartner, der ihn an eines seiner Designs für Lithium-Ionen-Batterien anpasst", so Zhang.

Zhangs wissenschaftliche Kollegen in Argonne sind Dong-Joo Yoo, Qian Liu und Minkyu Kim. Die Autoren am Berkeley Lab sind Orion Cohen und Kristin Persson. Die Arbeit wurde vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office, finanziert.

Ins Detail gehen

Die Forschungsarbeit wird in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials sehr ausführlich beschrieben. Ich bin weder Wissenschaftler, noch habe ich jemals einen im Fernsehen gespielt. Das ist auch gut so, denn die schwülstige Prosa der meisten wissenschaftlichen Texte lässt meine Augen glasig werden. Wenn Sie mehr über diese Forschung erfahren möchten, empfehle ich Ihnen, dem obigen Link zu folgen und sich zu informieren. Die Forschungsarbeit trägt den eingängigen Titel "Rational Design of Fluorinated Electrolytes for Low Temperature Lithium-Ion Batteries"

Viele Leser von CleanTechnica sind ziemlich versiert, wenn es um Dinge geht, die mit Elektrizität betrieben werden, und ich weiß, dass viele von Ihnen wissen wollen, ob dieser neue Elektrolyt bei Raumtemperatur irgendwelche negativen Nachteile hat oder die Lebensdauer der Batterien verkürzt - beides könnte Batteriehersteller davon abhalten, sich für diese neue Technologie zu interessieren. Hier ist ein Auszug aus der Forschung, der einige dieser Bedenken ausräumen könnte.

"Die langfristige Zyklierbarkeit bei hohen C-Raten und niedrigen Temperaturen gilt als eine der Herausforderungen für Lithium-Ionen-Batterien. Um die Überlegenheit unserer Elektrolyte zu beweisen, haben wir Langzeit-Zyklustests unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt.

"Bei einer Stromstärke von 2 C bei 25 °C nahm der Ethylacetat-Elektrolyt mit Fluor allmählich ab und erreichte nach 400 Zyklen eine Kapazitätserhaltung von 73 %, während der Ethylacetat-Elektrolyt mit LiDFOB-Zusatz die beste Kapazitätserhaltung von 91 % nach 400 Zyklen zeigte. Dieser Trend setzt sich bei einem weiteren hohen Strom von 6 C fort.

"Während Gen 2 innerhalb von 50 Zyklen schnell auf 34 % degradierte, zeigte der Elektrolyt mit LiDFOB-Zusatz den besten Kapazitätserhalt von 85 % auch nach 500 Zyklen. Bei einem Strom von C/3 bei -20 °C zeigten die Elektrolyte Gen 2 und Ethylacetat einen starken Kapazitätsabbau, der nach 300 Zyklen 7,5 % bzw. 34 % Kapazitätserhalt betrug.

"In krassem Gegensatz dazu zeigte der Ethylacetat-Fluor-Elektrolyt mit LiDFOB-Zusatz einen vernachlässigbaren Kapazitätsverlust und behielt auch nach 300 Zyklen noch 97 % der Kapazität. Darüber hinaus waren die coulombschen Wirkungsgrade des EA-f-Elektrolyten mit LiDFOB-Zusatz unter allen Testbedingungen höher als die der anderen Elektrolyte. Dieses Ergebnis des Zyklustests zeigt die überragende Stabilität unseres Elektrolyten für schnelles Laden und den Betrieb bei niedrigen Temperaturen."

Das Fazit

Die Verbrennungsmotoren von heute haben mit den Motoren von vor 100 Jahren nur wenige Gemeinsamkeiten, abgesehen von der Grundvoraussetzung des Viertaktmotors, die sich mit diesem Satz auf das Wesentliche reduzieren lässt: Saugen, Drücken, Knallen, Blasen. Die Batterietechnologie macht heute rasante Fortschritte, dank Tausender von Forschern auf der ganzen Welt wie Dr. Zhang und seinen Kollegen am Argonne National Lab.

Die schlechte Leistung bei kaltem Wetter ist ein Problem, das gelöst werden muss, bevor die EV-Revolution als abgeschlossen betrachtet werden kann. Es gibt vieles, was wir über Lithium-Ionen-Batterien mit fluorierten Elektrolyten nicht wissen, angefangen bei der Frage, wie sich das Vorhandensein von Fluor auf die Herstellung und das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien auswirken wird.

Schließlich ist Fluor eine starke Chemikalie, die die Ozonschicht schädigt, wenn sie in die Atmosphäre gelangt. Außerdem scheinen verschiedene Batterietypen wie Lithium-Eisen-Phosphat durch kalte Temperaturen weniger beeinträchtigt zu werden als die weit verbreiteten NMC-Batterien. Wer weiß, wie sich Natrium- oder Schwefelbatterien in der Praxis bewähren werden, sobald sie die Labors verlassen und in die kommerzielle Produktion gehen,

Das Einzige, dessen wir uns relativ sicher sein können, ist, dass die Batterien, die in zehn Jahren im Einsatz sein werden, sich von den heutigen Batterien so sehr unterscheiden werden wie Transistoren von Vakuumröhren. Die EV-Revolution hat gerade erst begonnen. Wir können es kaum erwarten, zu sehen, was als Nächstes kommt.