Argonne National Lab stellt Lithium her

Oct 17, 2023

Forscher am Argonne National Lab glauben, dass sie möglicherweise eine Lösung für Lithium-Ionen-Batterien 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 laden nicht so schnell und kommen nicht so weit. Es ist ein Problem, aber das Argonne National Laboratory sagt, dass es möglicherweise die Antwort hat.

In einem Blogbeitrag sagen die Wissenschaftler von Argonne, dass in heutigen Lithium-Ionen-Batterien der flüssige Elektrolyt, der als Weg für die Bewegung der Ionen zwischen der Kathode und der Anode beim Laden und Entladen der Batterie dient, bei Temperaturen unter Null zu gefrieren beginnt . Dieser Zustand schränkt die Wirksamkeit des Ladens von Elektrofahrzeugen in kalten Regionen und Jahreszeiten erheblich ein.

Ein Team von Wissenschaftlern der nationalen Laboratorien Argonne und Lawrence Berkeley hat zusammengearbeitet, um einen fluorierten Elektrolyten zu entwickeln, der auch bei Minustemperaturen eine gute Leistung erbringt. „Unsere Forschung hat somit gezeigt, wie man die atomare Struktur von Elektrolytlösungsmitteln anpassen 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 Fahrenheit nicht nachlässt, sondern wir haben auch auf atomarer Ebene herausgefunden, was ihn so wirksam macht“, sagte Zhang, ein leitender Chemiker und Gruppenleiter in Argonnes Abteilung für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften. Dieser Niedertemperaturelektrolyt ist vielversprechend für den Einsatz in Batterien in Elektrofahrzeugen sowie in der Energiespeicherung für Stromnetze und Unterhaltungselektronik wie Computer und Telefone.

Sie müssen nicht wissen, wie eine Batterie funktioniert, um ein Elektroauto anzutreiben, genauso wenig wie Sie nicht wissen müssen, wie ein Viertaktmotor funktioniert, um ein herkömmliches Auto anzutreiben. Die meisten von uns haben wahrscheinlich kaum mehr als ein rudimentäres Verständnis dafür, wie Lithium-Ionen-Batterien funktionieren. Argonne Lab erklärt, dass der Elektrolyt, der heutzutage in den meisten Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, eine Mischung aus einem weit verbreiteten Salz – Lithiumhexafluorphosphat – und Carbonatlösungsmitteln 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, bei der es sich typischerweise um ein Oxid handelt, das Lithium enthält, zur Anode, die normalerweise aus Graphit besteht. 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. Dadurch kann die Anode beim Laden der Batterie Lithiumatome in der Struktur des Graphits speichern. Während der Entladephase werden durch elektrochemische Reaktionen Elektronen aus dem Lithium freigesetzt, um Strom zu erzeugen, der dann zum Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet wird.

Wenn die Temperatur sinkt, beginnt der Elektrolyt mit Carbonatlösungsmitteln zu gefrieren. Dies wiederum führt dazu, dass es beim Laden seine Fähigkeit verliert, Lithiumionen 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 evakuieren und in die Grenzschicht einzudringen, als dies bei Raumtemperatur der Fall wäre. Die Wissenschaftler glaubten, dass die Lösung für schlechte Leistung bei kaltem Wetter darin bestehe, ein besseres Lösungsmittel zu finden, das nicht gefriert.

Das Team untersuchte mehrere Lösungsmittel, die mit Fluor infundiert waren, und konnte dasjenige identifizieren, das die niedrigste Energiebarriere für die Freisetzung von Lithiumionen aus den Clustern bei Temperaturen unter Null aufwies. Sie ermittelten auch auf atomarer Ebene, warum diese bestimmte Zusammensetzung so gut funktionierte – sie hing von der Position der Fluoratome innerhalb jedes Lösungsmittelmoleküls und ihrer Anzahl ab.

Bei Tests mit Laborzellen behielt der fluorierte Elektrolyt eine stabile Energiespeicherkapazität für 400 Lade-/Entladezyklen bei minus 4 Grad Fahrenheit. Selbst bei dieser Temperatur entsprach die Kapazität der Batterie 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.

Auch der Frostschutzelektrolyt brachte einen wichtigen Bonus mit sich. 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.

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

Bildnachweis: Argonne National Lab über Advanced Energy Materials

Die Forschung wird in der Zeitschrift Advanced Energy Materials ausführlich erläutert. Ich bin kein Wissenschaftler und habe auch nie einen im Fernsehen gespielt. Das ist gut so, denn die pralle Prosa der meisten wissenschaftlichen Texte lässt meine Augen glasig werden. Wenn Sie daran interessiert sind, mehr über diese Forschung zu erfahren, empfehle ich Ihnen, dem Link oben zu folgen und sich selbst umzuhauen. Die Forschungsarbeit trägt den eingängigen Titel „Rational Design of Fluorinated Electrolytes for Low Temperature Lithium-Ion Batteries“.

Viele CleanTechnica-Leser sind ziemlich versiert, wenn es um Dinge geht, die mit Strom betrieben werden, und ich weiß, dass viele von Ihnen wissen möchten, ob dieser neue Elektrolyt bei Raumtemperatur negative Nachteile hat oder die Batterielebensdauer verkürzt – beides könnte das Interesse der Batteriehersteller verhindern int dieser neuen Technologie. Hier ist ein Auszug aus der Forschung, der einige dieser Bedenken ansprechen könnte.

„Langfristige Zyklenfähigkeit bei hohen C-Raten und niedrigen Temperaturen gilt als einer der herausfordernden Aspekte für Lithium-Ionen-Batterien. Um die Überlegenheit unserer Elektrolyte zu beweisen, haben wir Langzeit-Zyklustests unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt.“

„Wenn ein Strom von 2 C bei 25 °C angelegt wurde, zerfiel der Ethylacetat-Elektrolyt mit Fluor nach 400 Zyklen allmählich auf eine Kapazitätserhaltung von 73 %, während der Ethylacetat-Elektrolyt mit LiDFOB-Zusatz nach 400 Zyklen die beste Kapazitätserhaltung von 91 % zeigte.“ Dieser Trend setzt sich bei einer weiterhin hohen Stromstärke von 6 °C fort.

„Während Gen 2 innerhalb von 50 Zyklen schnell auf 34 % abgebaut wurde, zeigte der Elektrolyt mit LiDFOB-Zusatz die beste Kapazitätserhaltung von 85 % auch nach 500 Zyklen. Bei Anlegen eines Stroms von C/3 bei –20 °C, Gen 2 und Ethyl Acetatelektrolyte zeigten einen starken Kapazitätsabbau, der einer Kapazitätserhaltung von 7,5 % bzw. 34 % nach 300 Zyklen entsprach.

„Im krassen Gegensatz dazu zeigte der Ethylacetat-Fluor-Elektrolyt mit LiDFOB-Zusatz einen vernachlässigbaren Kapazitätsverlust und behielt auch nach 300 Zyklen eine Kapazität von 97 %. Darüber hinaus betrugen die Coulomb-Effizienzen des EA-f-Elektrolyten mit LiDFOB-Zusatz unter allen Testbedingungen höher als die anderer Elektrolyte. Dieses Zyklentestergebnis zeigt die überlegene Stabilität unseres Elektrolyten für schnelles Laden und Betrieb bei niedrigen Temperaturen.“

Die heutigen Verbrennungsmotoren haben mit den Motoren von vor 100 Jahren nur wenige Eigenschaften gemeinsam, mit Ausnahme der Grundvoraussetzung des Viertaktmotors, die mit dem folgenden Satz auf das Wesentliche reduziert werden kann: Saugen, Drücken, Knall, Blasen. Dank Tausender Forscher auf der ganzen Welt wie Dr. Zhang und seinen Kollegen am Argonne National Lab schreitet die Batterietechnologie heute rasant voran.

Schlechte Leistung bei kaltem Wetter ist ein Problem, das gelöst werden muss, bevor die Revolution der Elektrofahrzeuge als abgeschlossen betrachtet werden kann. Wir wissen viel nicht über Lithium-Ionen-Batterien mit fluorierten Elektrolyten, angefangen damit, wie sich das Vorhandensein von Fluor auf die Herstellung und das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien auswirkt.

Schließlich ist Fluor eine starke Chemikalie, die die Ozonschicht schädigt, wenn sie in die Atmosphäre gelangt. Darüber hinaus scheinen unterschiedliche Batteriechemien wie Lithiumeisenphosphat weniger von kalten Temperaturen betroffen zu sein als die gängigeren NMC-Batterien. Wer weiß, wie sich Natrium- oder Schwefelbatterien in der realen Welt verhalten, wenn sie die Labore verlassen und in die kommerzielle Produktion gehen?

Das Einzige, worüber wir relativ sicher sein können, ist, dass die in einem Jahrzehnt verwendeten Batterien sich von den heutigen Batterien genauso unterscheiden werden wie Transistoren von Vakuumröhren. Die EV-Revolution fängt gerade erst an. Wir können es kaum erwarten zu sehen, was als nächstes kommt.

Steve schreibt über die Schnittstelle zwischen Technologie und Nachhaltigkeit von seinem Zuhause in Florida oder wo auch immer die Macht ihn hinführen könnte. Er ist stolz darauf, „aufgewacht“ zu sein, und es ist ihm völlig egal, warum das Glas zerbrochen ist. Er glaubt leidenschaftlich an das, was Sokrates vor 3000 Jahren sagte: „Das Geheimnis des Wandels besteht darin, seine ganze Energie nicht auf den Kampf gegen das Alte, sondern auf den Aufbau des Neuen zu konzentrieren.“

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