Batterien funktionieren bei -70°

Veröffentlicht amAutorgh

Mit organischen Elektroden und Elektrolyt auf Ethylacetat-Basis

Es ist ein weit verbreitetes Phänomen, dass Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) auf Basis von Verbundelektroden schlechte Leistungen zeigen, wenn die Temperatur unter 0 °C sinkt – dafür gelten die unzureichende Ionenleitfähigkeit und das Einfrieren des Elektrolyten allgemein als Hauptgründe. Dazu entwickelten fünf Forscher der Fudan-Universität in Shanghai einen Elektrolyten auf Ethylacetatbasis, der bei der extrem niedrigen Temperatur von -70°C ausreichende Ionenleitfähigkeit aufweist. Ihre Arbeit haben sie in der Wissenschaftszeitung Joule veröffentlicht.

Younicos -Lithium-Ionen-Batterie Berlin Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Auf der Basis eines solchen Elektrolyten wurden Akkumulatoren mit Interkalationsverbindungen und organischen Polymeren als Elektroden hergestellt. Zwar funktionieren die auf Interkalationsverbindungen basierenden LIBs aufgrund der schleppenden Lösung/Desolvierung von Li+ bei -70° C immer noch nicht. Aber dank der schnellen Kinetik der Ladungsspeichereigenschaften funktioniert der Akku mit organischen Elektroden bei einer so niedrigen Temperatur von -70°C gut und zeigt bei Raumtemperatur eine ausgezeichnete Kapazitätserhaltung. Diese Erkenntnisse könnten Aufschluss über die Entwicklung von Niedertemperaturbatterien geben.

Zusammenfassung

Der Betrieb bei niedrigen Temperaturen ist eine große Herausforderung für wiederaufladbare Batterien, und unzureichende Ionenleitfähigkeit und das Einfrieren des Elektrolyten werden allgemein als die Hauptgründe für dieses Problem angesehen. Für den neuen Batterietyp wird zunächst ein Elektrolyt auf Ethylacetat-Basis mit einer ausreichenden Ionenleitfähigkeit von 0,2 mS cm-1 bei der Ultra-Tieftemperatur von -70°C zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) auf Basis von Interkalationsverbindungen bzw. einer wiederaufladbaren Batterie auf Basis organischer Elektroden zur Klärung ihres Tieftemperaturverhaltens verwendet. Es wird gezeigt, dass die LIBs bei -70°C nicht arbeiten können, da Li+ nur langsam verödet wird. Allerdings kann der Akku mit organischen Elektroden auch bei solch niedrigen Temperaturen gut funktionieren und behält bei Raumtemperatur 70% der Kapazität, dank der schnellen Kinetik der Ladungsspeicherung auf den Oberflächengruppen oder im großen Zwischenraum organischer Feststoffe. Diese Ergebnisse zeigen einen neuen Weg für die Entwicklung von Niedertemperaturbatterien.

Kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien, LIBs) werden in zahlreichen tragbaren Geräten und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Es gibt jedoch ein weit verbreitetes Phänomen, bei dem die LIBs die meiste Kapazität und Leistung verlieren, wenn die Temperatur unter 0°C sinkt.1-7 Es wurde weithin berichtet, dass konventionelle LIBs bei -40°C nur ?% der Raumtemperaturkapazität beibehalten haben.8-10 In den letzten Jahren wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um dieses Problem zu überwinden, wie die Entwicklung von Additiven zur Verbesserung des Tieftemperaturverhaltens von Elektrolyten11-20 und die externe/internale Erwärmung und Isolierung der Zellen.21Obwohl einige Elektrolytzusätze das Entladeverhalten von LIBs bei der niedrigen Temperatur von -20°C bis -40°C effizient verbessern können, sind die entsprechenden Aufladevorgänge bei dieser Temperatur immer noch sehr schwierig.7,10,13 Externes Erwärmen und Isolieren der LIBs stellt eine Möglichkeit dar, die lokale Arbeitstemperatur zu verbessern, aber die zusätzlichen externen Geräte/Materialien und die Heizzeit reduzieren die Effizienz von Batteriesystemen.

Die FAZ beschreibt jedoch „noch einen schwerwiegenden Nachteil. Die Energiedichte ist geringer als bei konventionelle Lithium-Ionen-Akkus – sie bewegt sich in etwa im Bereich von Bleibatterien. Die organischen Stromquellen sind für viele Anwendungen und den Langzeitgebrauch damit zu schwach. Xia und seine Kollegen halten die kältetoleranten Akkus aber gut geeignet, um bei einem Kaltstart den nötigen Strom zu liefern“.

->Quellen: