Natürliche „Anti-Aging“-Chemie verhindert Degradation
Bei Hochspannungs-Lithiumbatterien mit Kathoden aus geschichteten Übergangsmetalloxiden führt der chemische Abbau der Batterieelektrolyte zu raschem Kapazitätsabfall, was die praktische Anwendung dieser potenziellen nächsten Batterien-Generation vor erhebliche Herausforderungen stellt. Dieser Kapazitätsabbau durch hochreaktive Sauerstoffspezies und freie Radikale hat die Entwicklung einer neuen Generation von Lithiumbatterien lange behindert. Eine davon inspirierte neue Technik, wie lebende Organismen mit einem ähnlichen Problem umgehen, scheint dieses Problem nun auch für Batterien zu lösen. Forscher des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben das am 13.10.2021 im Journal of the American Chemical Society und am 15.11. auf der QIBEBT-Webseite veröffentlicht.
Li-Ionen-Batterie – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Im Stromkreis einer klassischen Batterie sind die Elektroden – eine negative (die Kathode) und eine positive (die Anode) – die Leiter, die mit dem nichtmetallischen Teil des Stromkreises (den Elektrolyten) in Kontakt treten. Die chemische Zersetzung der Elektrolyte in Lithiumbatterien mit Übergangsmetalloxiden wird während des Zyklus des Stromkreises durch die Oxidation von hochreaktivem Sauerstoff und durch den Angriff freier Radikale – jedes Atom, Molekül oder Ion mit einem ungepaarten Valenzelektron (Außenschicht) – verursacht.
Einige Strategien zur Bewältigung des Problems beinhalten meist clevere technische Tricks an der atomaren Oberflächenschicht der Materialien oder die Verwendung fester statt flüssiger Elektrolyte. Ziel ist es, eine physikalische Barriere aufzubauen, um die Zersetzungsgeschwindigkeit des Elektrolyten zu verlangsamen. Aber selbst eine Verlangsamung kann den chemischen Abbau im Lauf der Zeit nicht wesentlich verhindern.
In der Natur findet eine solche Degradation so gut wie überall statt, da Sauerstoff eines der Elemente ist, die am ehesten in der Lage sind, Elektronen von anderen Atomen und Molekülen anzuziehen. Wenn ein Apfel braun wird, ein Stück Eisen rostet und Ihre Haut altert, ist das alles zum Teil ein Produkt von „Oxidationsschäden“. Die Natur hat alle möglichen Lösungen gefunden, um diesem Problem zu begegnen. Organismen produzieren oft verschiedene Arten von Enzymen, die aktiven Sauerstoff und freie Radikale abfangen, um das Problem zu lindern. „Wir dachten uns also, warum nicht versuchen, das, was die Natur bereits tut, zu kopieren und in eine Batterie einzubauen“, so Guanglei Cui vom QIBEBT, einer der leitenden Forscher der Studie.
Inspiriert von diesen Antisauerstoff-Mechanismen der Organismen entwickelten die Forscher einen Photostabilisator – ein relativ einfaches, alterungsbeständiges Bindemittel, das dem Elektrolyten zugesetzt wird und Singulett-Sauerstoffatome und freie Radikale abfangen kann.
Durch experimentelle Untersuchungen und theoretische Berechnungen fanden die Forscher heraus, dass dieser bioinspirierte Sauerstoffabfangmechanismus in Lithiumbatterien auf der Basis von Übergangsmetalloxiden selbst bei höheren Temperaturen eine hervorragende elektrochemische Leistung erbringt. „Dies kündigt ein neues Paradigma für die Manipulation der Kathoden- und Elektrolytchemie aller Arten von wiederaufladbaren Batterien an, bei denen der Elektrolyt chemisch abgebaut wird“, so Prof. Cui weiter.
Nach dem Erfolg des Photostabilisators wollen die Forscher Hochspannungs-Lithiumbatterien auf der Basis von Schichtoxidkathoden mit ihrem bioinspirierten Anti-Aging-Bindemittel als nächste Generation von Energiespeichern jenseits der herkömmlichen Lithium-Ionen-Technologie auf den Markt bringen.
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