Neue Materialien ermöglichen Lithium-Metall-Batterien eine extrem lange Zyklenlebensdauer

Science and Technology Daily-Reporter Zhao Hanbin

Im Bereich neuer Energiematerialien war die Frage, wie eine höhere Energiedichte sowie sicherere und langlebigere Lithium-Metall-Batterien erreicht werden können, schon immer ein großes Problem in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft. Am 6. September erfuhr der Reporter von der Yunnan-Universität, dass das Team von Professor Guo Hong von der Fakultät für Materialien und Energie der Universität einen neuen Typ eines Amid-funktionalisierten Polymerelektrolyten entwickelt hat, der eine starke Garantie für den langlebigen Betrieb bietet Lithium-Metall-Batterien. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift „Energy and Environmental Science“ veröffentlicht.

In der sich schnell verändernden Energiespeichertechnologie von heute gelten Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte und potenziellen Sicherheitsverbesserungen als wichtige Richtung zukünftiger Batterietechnologie, wobei die Optimierung der Festelektrolytleistung besonders wichtig ist. Obwohl herkömmliche Polymerelektrolyte Vorteile wie einen guten Grenzflächenkontakt und ein großes Potenzial für die industrielle Produktion bieten, stehen sie in praktischen Anwendungen vor Herausforderungen wie unzureichenden mechanischen Eigenschaften, geringer Übertragungseffizienz von Lithiumionen (Li+) und schlechter Stabilität der Elektroden- oder Elektrolytgrenzflächen. Diese Probleme schränken die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien erheblich ein.

Schematische Darstellung des Designs Amid-funktionalisierter Materialien. Foto vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt

Als Reaktion auf diese Herausforderungen schlug das Team von Professor Guo Hong eine innovative Strategie für das molekulare Design vor. Durch die Einführung zahlreicher Amidstellen wurde ein einzigartiges hierarchisches supramolekulares Netzwerk aufgebaut, das dauerhafte chemische Vernetzung und reversible Wasserstoffbrückenbindung geschickt kombiniert, sodass der Polymerelektrolyt eine hervorragende Flexibilität bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit aufweist. Noch wichtiger ist, dass die Einführung von Amidstellen einen schnellen und reversiblen Übertragungskanal für Lithiumionen bietet und die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten deutlich verbessert. Darüber hinaus fördert der Vordesolvatisierungseffekt der gesamten Polymermatrix die Übertragungseffizienz von Lithiumionen weiter, wodurch deren Wanderung im Elektrolyten schneller und gleichmäßiger wird.

Neben einer hervorragenden Übertragungsleistung kann dieser neue Polymerelektrolyt auch eine stabile Grenzflächenschicht auf der Elektrodenoberfläche bilden und so die Bildung von Lithiumdendriten und das Auftreten von Grenzflächennebenreaktionen wirksam verhindern. Lithiumdendriten sind ein häufiges Problem in Lithium-Metall-Batterien. Sie verursachen nicht nur Batteriekurzschlüsse, sondern beschleunigen auch den Alterungsprozess der Batterie. Daher ist diese doppelt verbesserte Schnittstellenstabilität von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Batteriesicherheit und der Zyklenlebensdauer.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Lithium-Metall-Batterien mit diesem neuen Elektrolyten in Zyklentests eine erstaunliche Haltbarkeit gezeigt haben. Unter vollständigen Lade- und Entladebedingungen weist die Batterie mit positiver Lithium-Eisenphosphat-Elektrode und negativer Lithium-Metall-Elektrode nach 850 Zyklen immer noch eine Kapazitätserhaltungsrate von 96,5 % auf; während die Batterie mit positiver Lithium-Kobaltoxid-Elektrode nach 300 Zyklen 96,8 % ihrer Kapazität beibehält.

Es versteht sich, dass diese neue Errungenschaft eine bedeutende Innovation im Design von Festkörperelektrolyten darstellt, die ihr großes Potenzial in praktischen Anwendungen unter Beweis stellt, neue Ideen für die Lösung der vielen Herausforderungen liefert, mit denen Lithium-Metall-Batterien konfrontiert sind, und außerdem eine solide theoretische und materielle Grundlage liefert Grundlage für die zukünftige Entwicklung von Festkörperbatterien mit höherer Leistung und längerer Lebensdauer, die breite Anwendungsaussichten in Elektrofahrzeugen, Energiespeichersystemen und anderen Bereichen haben.