Wie sich das Material der Batterieelektrode auf deren Leistung und Lebensdauer auswirkt

Dialog vom 15. August 2023

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von Dmitrii A. Rakov, Tech Xplore

Batterien sind Geräte, die Energie speichern und freigeben, indem sie geladene Teilchen, sogenannte Ionen, zwischen zwei Materialien, sogenannten Elektroden, bewegen. Die Elektroden sind durch eine Flüssigkeit oder ein Gel, einen sogenannten Elektrolyten, getrennt, der Ionen und andere Moleküle enthält. Wenn eine Batterie verwendet wird, bildet sich auf der Oberfläche jeder Elektrode eine dünne Molekülschicht, die sogenannte Festelektrolyt-Interphase (SEI).

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) leiden unter einer mangelhaften Reversibilität von Redoxprozessen an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, was mit der Bildung mechanisch instabiler und reaktiver SEIs einhergeht. Die stabilen, anorganischen SEIs können den Elektronentransfer isolieren, sodass nur bestimmte Ionen durchdiffundieren können, und unterstützen so reversible Zyklen über die elektrochemische Grenze des Elektrolyten hinaus.

Während elektrochemische Zellen, die anorganische geschmolzene Salzelektrolyte bei erhöhten Temperaturen (> 100 °C) verwenden, eine stabile Zyklenleistung aufweisen, sind alltägliche Anwendungen auf Batterieelektrolyte angewiesen, die sowohl Metallsalze als auch organische Lösungsmittel enthalten. Diese Mischung löst Konkurrenzreaktionen an der geladenen Grenzfläche aus, was zu einem kontinuierlichen Elektrolytverbrauch und einer ungleichmäßigen Metallablagerung führt, d.

Eine der praktischsten skalierbaren Möglichkeiten zur Optimierung der SEI-Chemie und -Morphologie für den reversiblen Ladungstransport ist die gemeinsame Auswahl der Elektrolytchemie und des Bildungsprotokolls (dh anfängliche Zyklusbedingungen mit spezifischen Strom-/Spannungsbedingungen). Gleichzeitig wurde die Bedeutung des Elektrodenmaterials in diesem Prozess trotz seines inhärenten Einflusses auf die Vorphasen der SEI-Bildung deutlich unterbewertet.

Um diese Informationslücke zu schließen, untersuchten Forscher der Universitäten Deakin und Monash (Melbourne, Australien) die Auswirkungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Elektrode auf den Mechanismus der SEI-Bildung mit ionischen Flüssigkeiten und Natriumelektrolyten auf Carbonatbasis. Die Arbeit wird in der Zeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Mit einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Werkzeugen haben wir gezeigt, dass die Struktur der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche und die Eigenschaften der Festelektrolyt-Grenzfläche wesentlich von der Polarisierbarkeit der Elektrode (ihrer dielektrischen Natur) beeinflusst werden, und wir haben diese Phänomene in erklärt im Zusammenhang mit der Fähigkeit geladener Elektroden, Elektrolytspezies zu adsorbieren (siehe Abbildung oben).

Insbesondere nichtmetallische Elektroden mit schwachen Van-der-Waals-Kräften unterliegen einer elektrostatischen Abstoßung, wodurch die Ansammlung hochpolarer Lösungsmittel oder Ionen verhindert wird, die dieselbe Ladung wie die Ladung der Elektrode tragen. Dies beeinflusst die Konzentration von Na-Anion-Komplexen mit einem organischen Lösungsmittel in der Nähe der geladenen Elektrode. Folglich variiert die gebildete Interphasenchemie je nach den angewandten Ladebedingungen, was zur Entwicklung unterschiedlicher Interphasenchemien führt – entweder lösungsmittelbasiert oder anionbasiert.

Mit dieser neuen wissenschaftlichen Entdeckung und dem Wissen über die Ionensolvatisierungsstruktur in bestimmten Elektrolyten können wir bei der Entwicklung intelligenter Zyklusprotokolle für wiederaufladbare Batterien rationaler vorgehen.

Diese Forschung könnte dazu beitragen, bessere Batterien für verschiedene Anwendungen zu entwickeln, beispielsweise für Elektrofahrzeuge, die Speicherung erneuerbarer Energien oder tragbare Geräte. Es könnte auch dazu beitragen, neue Möglichkeiten zur Nutzung elektrochemischer Systeme für andere Zwecke zu entwickeln, beispielsweise zur Herstellung von Chemikalien (Elektrokatalyse) oder zur Rückgewinnung von Metallen aus Abfällen.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialog, bei dem Forscher über Ergebnisse ihrer veröffentlichten Forschungsartikel berichten können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.

Mehr Informationen: Dmitrii A. Rakov et al., Der Einfluss der Elektrodenleitfähigkeit auf die Strukturierung der Elektrolytgrenzflächen und ihre Auswirkungen auf die elektrochemische Leistung von Na0/+, Energy & Environmental Science (2023). DOI: 10.1039/D3EE00864A

Dr. Dmitrii A. Rakov ist Postdoktorand an der School of Chemical Engineering der University of Adelaide. Er erhielt seinen Doktortitel von der Deakin University. Bevor er an die University of Adelaide kam, arbeitete Dr. Rakov als Postdoctoral Research Fellow am Australian Institute of Bioengineering and Nanotechnology der University of Queensland, wo er nun eine Stelle als Adjunct Fellow in der Gruppe von Professor Chengzhong Yu innehat. Dr. Rakov war außerdem „Impossible Without You Fellow“ bei der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), Praktikant am NASA Ames Research Center und Gastwissenschaftler an der University of Tennessee Knoxville und am Oak Ridge National Laboratory. Zu den Forschungsinteressen von Dr. Rakov gehören das molekulare Verständnis von Energiespeichersystemen und Methoden zur Optimierung ihrer Leistung, insbesondere von Elektrolyten, Grenzflächen und Grenzflächen.