Neuer Separator macht Niedrigtemperatur-Batterien sicherer

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Zudem gesteigerte Batterieleistung bei extrem niedrigen Temperaturen

Gesucht werden Lithium-Ionen-Batterien, die Fahrzeuge auch in extremer Kälte antreiben können, wie zum Beispiel Raumfahrzeuge oder Satelliten. Eine neue Technologie könnte die Sicherheit dieser Batterien, die mit Gaselektrolyten bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten, drastisch verbessern. Nano-Ingenieure der University of California San Diego haben einen Separator entwickelt – den Teil der Batterie, der als Barriere zwischen Anode und Kathode dient – und verhindert, dass die gasbasierten Elektrolyte in diesen Batterien verdampfen. Dieser neue Separator könnte wiederum helfen, den Druckaufbau im Inneren der Batterie zu verhindern, der zu Schwellungen und Explosionen führt.

Li-Ionen-Batterie am Berliner Effizienzhaus Plus – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

„Indem er Gasmoleküle einfängt, kann dieser Separator als Stabilisator für flüchtige Elektrolyte fungieren“, sagt Zheng Chen, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering, der die Studie leitete. Der neue Separator steigere auch die Batterieleistung bei extrem niedrigen Temperaturen. Batteriezellen, die mit dem neuen Separator gebaut wurden, arbeiteten bei -40 °C mit einer hohen Kapazität von 500 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g), während diejenigen, die mit einem kommerziellen Separator gebaut wurden, fast keine Kapazität aufwiesen. Die Batteriezellen wiesen auch dann noch eine hohe Kapazität auf, wenn sie zwei Monate lang unbenutzt waren – ein vielversprechendes Zeichen dafür, dass der neue Separator auch die Lagerfähigkeit verlängern könnte, so die Forscher.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 07.06.2021 in Nature Communications. Diese Arbeit baut auf einer früheren Studie auf, die in Science veröffentlicht wurde und aus dem Labor der Professorin für Nanoengineering an der UC San Diego, Ying Shirley Meng, stammt. Diese Studie war die erste, die über die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien berichtete, die bei Temperaturen von bis zu -60 °C gut funktionieren. Es ist weitaus widerstandsfähiger gegen das Einfrieren als ein herkömmlicher flüssiger Elektrolyt.

Aber es gibt einen Nachteil: Flüssiggas-Elektrolyte haben eine hohe Tendenz, von Flüssigkeit zu Gas überzugehen. „Das ist das größte Sicherheitsproblem bei diesen Elektrolyten“, sagt Chen. Um sie zu verwenden, muss viel Druck angewendet werden, um die Gasmoleküle zu kondensieren und den Elektrolyten in flüssiger Form zu halten.

Um dieses Problem zu lösen, hat Chens Labor zusammen mit Meng und Tod Pascal, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego, einen Weg entwickelt, diese gashaltigen Elektrolyte auf einfache Weise zu verflüssigen, ohne so viel Druck anwenden zu müssen. Der Fortschritt wurde durch die Kombination des Fachwissens von Berechnungsexperten wie Pascal mit Experimentatoren wie Chen und Meng ermöglicht, die alle zum Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) der UC San Diego gehören.

Ihr Ansatz macht sich ein physikalisches Phänomen zunutze, bei dem Gasmoleküle spontan kondensieren, wenn sie in winzigen, nanometergroßen Räumen gefangen sind. Dieses Phänomen, bekannt als Kapillarkondensation, ermöglicht es einem Gas, bei einem viel niedrigeren Druck flüssig zu werden.

Das Team nutzte dieses Phänomen, um einen Batterieseparator zu bauen, der den Elektrolyten in ihrer Ultra-Tieftemperatur-Batterie stabilisieren würde – einen Flüssiggas-Elektrolyten aus Fluormethangas. Die Forscher bauten den Separator aus einem porösen, kristallinen Material, einem sogenannten metallorganischen Gerüst (metal-organic framework – MOF). Das Besondere an dem MOF ist, dass es mit winzigen Poren gefüllt ist, die in der Lage sind, Fluormethan-Gasmoleküle einzufangen und bei relativ niedrigem Druck zu kondensieren. Zum Beispiel kondensiert Fluormethan typischerweise unter einem Druck von 118 psi bei -30 °C; aber mit dem MOF kondensiert es bei nur 11 psi bei der gleichen Temperatur.

„Dieses MOF reduziert den Druck, der benötigt wird, um den Elektrolyten zum Laufen zu bringen, erheblich“, so Chen. „Infolgedessen liefern unsere Batteriezellen eine erhebliche Menge an Kapazität bei niedrigen Temperaturen und zeigen keine Degradation.“

Die Forscher testeten den MOF-basierten Separator in Lithium-Ionen-Batteriezellen – gebaut mit einer Kohlenstoff-Fluorid-Kathode und einer Lithium-Metall-Anode -, die mit einem Fluormethan-Gaselektrolyten unter einem Innendruck von 70 psi gefüllt waren, was deutlich unter dem Druck liegt, der zur Verflüssigung von Fluormethan erforderlich ist. Die Zellen behielten bei -40 °C 57 % ihrer Kapazität bei Zimmertemperatur. Im Gegensatz dazu zeigten Zellen mit einem kommerziellen Separator bei gleicher Temperatur und gleichem Druck mit Fluormethangaselektrolyt fast keine Kapazität.

Die winzigen Poren des MOF-basierten Separators sind der Schlüssel, denn sie sorgen dafür, dass mehr Elektrolyt in der Batterie fließt, selbst bei reduziertem Druck. Der kommerzielle Separator hingegen hat große Poren und kann die Gaselektrolytmoleküle bei reduziertem Druck nicht zurückhalten.

Doch die winzigen Poren sind nicht der einzige Grund, warum der Separator unter diesen Bedingungen so gut funktioniert. Die Forscher haben den Separator so konstruiert, dass die Poren durchgehende Bahnen von einem Ende zum anderen bilden. So ist sichergestellt, dass die Lithium-Ionen weiterhin frei durch den Separator fließen können. In Tests wiesen Batteriezellen mit dem neuen Separator eine zehnmal höhere Ionenleitfähigkeit bei -40 °C auf als Zellen mit dem kommerziellen Separator.

Chens Team testet den MOF-basierten Separator nun an anderen Elektrolyten. „Wir sehen ähnliche Effekte. Wir können dieses MOF als Stabilisator verwenden, um verschiedene Arten von Elektrolytmolekülen zu adsorbieren und die Sicherheit auch in traditionellen Lithiumbatterien zu verbessern, die ebenfalls flüchtige Elektrolyte haben.“

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