Viele Besitzer von Elektrofahrzeugen machen sich Sorgen darüber, wie effektiv ihre Batterie bei sehr kaltem Wetter sein wird. Nun könnte eine neue Batteriechemie dieses Problem gelöst haben.
Bei aktuellen Lithium-Ionen-Batterien liegt das Hauptproblem im flüssigen Elektrolyten. Diese Schlüsselkomponente der Batterie überträgt ladungstragende Partikel, sogenannte Ionen, zwischen den beiden Elektroden der Batterie und bewirkt so das Laden und Entladen der Batterie. Doch bei Minusgraden beginnt die Flüssigkeit zu gefrieren. Dieser Zustand schränkt die Wirksamkeit des Ladens von Elektrofahrzeugen in kalten Regionen und Jahreszeiten erheblich ein.
Um dieses Problem anzugehen, hat ein Team von Wissenschaftlern der nationalen Laboratorien Argonne und Lawrence Berkeley des US-Energieministeriums (DOE) einen fluorhaltigen Elektrolyten entwickelt, der auch bei Minustemperaturen gut funktioniert.
„Unser Team hat nicht nur einen Frostschutzelektrolyten gefunden, dessen Ladeleistung bei minus 4 Grad Fahrenheit nicht nachlässt, sondern wir haben auch auf atomarer Ebene herausgefunden, was ihn so effektiv macht“, sagte Zhengcheng „John“ Zhang, ein leitender Chemiker und Gruppenleiter Leiter der Abteilung für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften in Argonne.
Dieser Niedertemperatur-Elektrolyt ist vielversprechend für den Einsatz in Batterien in Elektrofahrzeugen sowie in der Energiespeicherung für Stromnetze und Unterhaltungselektronik wie Computer und Telefone.
In heutigen Lithium-Ionen-Batterien ist der Elektrolyt eine Mischung aus einem weit verbreiteten Salz (Lithiumhexafluorphosphat) und Carbonatlösungsmitteln wie Ethylencarbonat. Die Lösungsmittel lösen das Salz auf und bilden eine Flüssigkeit.
Wenn eine Batterie geladen wird, transportiert der flüssige Elektrolyt Lithiumionen von der Kathode (einem lithiumhaltigen Oxid) zur Anode (Graphit). Diese Ionen wandern aus der Kathode und passieren dann den Elektrolyten auf dem Weg zur Anode. Während sie durch den Elektrolyten transportiert werden, sitzen sie im Zentrum von Clustern aus vier oder fünf Lösungsmittelmolekülen.
Während der ersten paar Ladungen treffen diese Cluster auf die Anodenoberfläche und bilden eine Schutzschicht, die sogenannte Festelektrolyt-Grenzfläche. Einmal gebildet, wirkt diese Schicht wie ein Filter. Es lässt nur die Lithiumionen durch die Schicht passieren und blockiert gleichzeitig die Lösungsmittelmoleküle. Auf diese Weise ist die Anode in der Lage, geladene Lithiumatome in der Struktur des Graphits zu speichern. Beim Entladen werden durch elektrochemische Reaktionen Elektronen aus dem Lithium freigesetzt, die Strom erzeugen, der Fahrzeuge antreiben kann.
Das Problem besteht darin, dass bei kalten Temperaturen der Elektrolyt mit Carbonatlösungsmitteln zu gefrieren beginnt. Dadurch verliert es die Fähigkeit, beim Laden Lithiumionen in die Anode zu transportieren. Dies liegt daran, dass die Lithiumionen so fest in den Lösungsmittelclustern gebunden sind. Daher benötigen diese Ionen viel mehr Energie, um ihre Cluster zu evakuieren und in die Grenzschicht einzudringen, als bei Raumtemperatur. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler nach einem besseren Lösungsmittel gesucht.
Das Team untersuchte mehrere fluorhaltige Lösungsmittel. Sie konnten die Zusammensetzung identifizieren, die die niedrigste Energiebarriere für die Freisetzung von Lithiumionen aus den Clustern bei Temperaturen unter Null aufweist. Sie ermittelten auch auf atomarer Ebene, warum diese spezielle Zusammensetzung so gut funktionierte. Dies hing von der Position der Fluoratome innerhalb jedes Lösungsmittelmoleküls und ihrer Anzahl ab.
Bei Tests mit Laborzellen behielt der fluorierte Elektrolyt des Teams über 400 Lade-Entlade-Zyklen bei minus 4 °F eine stabile Energiespeicherkapazität bei. Selbst bei dieser Minustemperatur entsprach die Kapazität der einer Zelle mit einem herkömmlichen Elektrolyten auf Carbonatbasis bei Raumtemperatur.
„Unsere Forschung hat somit gezeigt, wie man die atomare Struktur von Elektrolytlösungsmitteln anpassen kann, um neue Elektrolyte für Temperaturen unter Null zu entwickeln“, sagte Zhang.
Der Frostschutzelektrolyt hat eine Bonuseigenschaft. Es ist viel sicherer als die derzeit verwendeten Elektrolyte auf Carbonatbasis, da es sich nicht entzündet.
„Wir patentieren unseren Niedertemperatur- und sichereren Elektrolyten und suchen nun nach einem Industriepartner, der ihn an eines ihrer Designs für Lithium-Ionen-Batterien anpasst“, sagte Zhang.
Diese Forschung erscheint in Fortschrittliche Energiematerialien. Argonne-Autoren sind neben John Zhang Dong-Joo Yoo, Qian Liu und Minkyu Kim. Die Autoren des Berkeley Lab sind Orion Cohen und Kristin Persson.
Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office, finanziert.
