Veröffentlicht am 29. September 202229. September 2022 Autor gh
Elektrochemiker finden heraus, wie Elektrolytzusatz Leistung von Batterien mit Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode effektiv verbessert
Nitrile – organische Verbindungen, bei denen ein Kohlenstoffatom dreifach an ein Stickstoffatom gebunden ist – werden üblicherweise der Elektrolytformel für Batterien mit einer Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode zugesetzt, wodurch diese Batterien ihrer vollen theoretischen Leistung sehr viel näher kommen. Bis jetzt haben Batterieforscher aber den genauen Wirkungsablauf dieser Nitrile noch nicht vollständig verstanden. Eine Gruppe von chinesischen Elektrochemikern hat nun moderne Mikroskopietechniken eingesetzt, um die Vorgänge auf molekularer Ebene genauer zu untersuchen und herauszufinden, was dabei vor sich geht; dadurch eröffnen sich neue Wege für eine noch bessere Batterieleistung. Die Studie wurde am 22.09.2022 in Nano Research veröffentlicht.
Batterien aktuell – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2 oder einfach „LCO“) ist das am häufigsten verwendete Material für Kathoden (die positiven Elektroden) in Lithium-Ionen-Batterien. Dies gilt insbesondere für Batterien, die in tragbaren elektronischen Geräten verwendet werden, da LCO eine hohe Betriebsspannung, eine hohe Kapazität und eine stabile Leistung über einen langen Zeitraum bietet.
Was LCO-Kathoden jedoch besonders attraktiv macht, ist die Tatsache, dass sie mehr Energie auf kleinerem Raum bieten (höhere Energiedichte), was für kleinere Verbrauchergeräte wie Telefone, Smartwatches und Geräte mit noch engeren Platzverhältnissen wie intelligente Sensoren im Haushalt und in der Industrie sehr nützlich ist. Zurzeit können LCO-Kathoden jedoch nur etwa die Hälfte ihrer theoretischen spezifischen Kapazität liefern. Im Klartext bedeutet dies, dass die tatsächliche Leistung viel geringer ist als das, was sie theoretisch erzeugen könnten. Daher ist es für sie oft schwierig, die steigenden Anforderungen an die Energiedichte tragbarer Elektronikgeräte zu erfüllen.
Eine Möglichkeit, diese Hürde zu umgehen, wäre die Erhöhung der begrenzten Ladespannung von Batterien mit LCO-Kathoden. Die begrenzte Ladespannung beschreibt den Punkt, an dem eine Batterie als vollständig geladen gilt. Jenseits dieses Punktes könnte die Batterie Schaden nehmen, weshalb sich viele Geräte einfach abschalten, wenn der Grenzwert erreicht ist. Dieser Schwellenwert ist einigermaßen willkürlich festgelegt und könnte daher erhöht werden, und ein solcher Hochspannungsbetrieb bietet die Möglichkeit, die Energiedichte solcher Batterien zu erhöhen.
Hier ergibt sich jedoch ein neues Problem: Der Hochspannungsbetrieb kann schädliche chemische Reaktionen an der Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt verstärken. Dies kann zu Rissen und anderen inneren Schäden führen, die wiederum die Grenzfläche zwischen den Elektroden weiter verschlechtern können. Letztlich kann all dies zu einer radikalen Abnahme der Batteriekapazität und einer starken Zunahme von Sicherheitsproblemen führen. Die Arbeitstemperatur in diesen Geräten kann aufgrund ihrer eigenen Wärmeentwicklung 45? erreichen, was die Lebensdauer der Batterien weiter verkürzt.
Daher hat sich seit einiger Zeit die Beimischung zusätzlicher Verbindungen in die Elektrolytformel als eine sehr wirksame Strategie zur Verringerung der Reaktionsaktivität des Elektrolyten (des ionenhaltigen Mediums, das durch die Bewegung positiver und negativer Ionen zur Stromerzeugung beiträgt) an der Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt erwiesen.
Es gibt eine Reihe verschiedener Verbindungen, die als solche Elektrolytzusätze verwendet werden, aber für Lithium-Ionen-Batterien sind Nitrile vielleicht die am häufigsten verwendeten. Nitrile sind alle organischen Verbindungen, bei denen ein Teil des Moleküls (eine „funktionelle Gruppe“) aus einem Kohlenstoffatom besteht, das dreifach an ein Stickstoffatom gebunden ist.
Die Wirkungsweise von Nitril-Zusätzen auf Hochspannungskathoden ist jedoch noch nicht vollständig geklärt, insbesondere bei den praktischen, alltäglichen Hochspannungs-LCO-Batterien. (Bei Pouch-Batterien handelt es sich um eine Art „weiche“ Batterie ohne hartes Metallgehäuse, deren Komponenten stattdessen in einer aluminiumbeschichteten Kunststofffolie eingeschlossen sind, die ein wenig wie ein „Pouch“ für Kaugummi oder losen Tabak aussieht. Die 1995 erstmals entwickelten Pouch-Batterien, die eine wesentlich effizientere Raumnutzung ermöglichen, sind aufgrund dieses Konstruktionsvorteils inzwischen eine gängige Wahl für die Hersteller).
Es gibt zwei Haupttheorien, die versuchen, den Mechanismus der Nitrilzusätze zu erklären, aber beide haben erhebliche Mängel in ihrer Erklärungskraft. „Nitrile funktionieren gut, aber wir wissen nicht wirklich, warum sie gut funktionieren, warum diese stabilisierende Wirkung eintritt. Was genau vor sich geht, bleibt ziemlich rätselhaft“, sagt Shuhong Jiao, Elektrochemiker an der University of Science and Technology of China (USTC). „Und wenn wir nicht wissen, warum das, was wir tun, um die Batterien zu verbessern, funktioniert, können wir unsere Bemühungen um weitere Verbesserungen nicht optimieren.
Daher nahmen die Forscher ein gängiges Nitril-Elektrolytzusatzmittel, tridentatligandenhaltiges 1,3,6-Hexanetricarbonitril (oder einfacher HTCN), um den Mechanismus der Nitrile bei der Stabilisierung der Hochspannungskathode einer LiCoO2-Batterie zu erforschen.
Während die Batterie in Betrieb war und die Leistung einer vergleichbaren Batterie ohne HTCN-Elektrolytzusatz bei weitem übertraf, nutzten die Forscher die Elektronenmikroskopie, um einen genaueren Blick auf die Vorgänge zu werfen, kombiniert mit einer Analyse der Ionen- und Elementzusammensetzung des Systems. Sie stellten fest, dass der HTCN-Zusatz die Bildung von Rissen und die Auflösung von Kobaltionen sehr wirksam verhinderte.
Mit Hilfe der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie in Verbindung mit einer Reihe theoretischer Berechnungen fanden sie heraus, dass die HTCN-Moleküle effizient an der LCO-Oberfläche adsorbiert (angeheftet) und in die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt eingebettet werden, was wiederum eine Oxidationsreaktion an der LCO-Oberfläche stark hemmt und somit eine kontinuierliche Zersetzung des Elektrolyten verhindert.
Insgesamt führt dies zu einer wesentlich stabileren Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt, wodurch die Zersetzung von Komponenten und die Bildung von Rissen deutlich unterdrückt wird. Es ist diese stabile und dichte Kathoden-Elektrolyt-Struktur, die die Stabilität der Batterie über viele Lade- und Entladezyklen hinweg erhöht. Mit diesem Verständnis auf molekularer Ebene, wie Nitriladditive solchen Batterien einen Schub geben, können die Forscher nun nach anderen Elektrolytadditivformulierungen suchen, die eine ähnliche oder bessere Grenzflächenstruktur erzeugen.
Über Nano Research – Nano Research ist eine von Experten begutachtete, internationale und interdisziplinäre Forschungszeitschrift, die alle Aspekte der Nanowissenschaft und -technologie veröffentlicht. Sie wird von der Tsinghua-Universität und der Chinesischen Chemischen Gesellschaft gesponsert und zeichnet sich durch schnelles Review und schnelle Veröffentlichung aus. Sie bietet den Lesern eine attraktive Mischung aus maßgeblichen und umfassenden Rezensionen und originellen Spitzenforschungsbeiträgen. Nach 15 Jahren der Entwicklung ist sie zu einer der einflussreichsten akademischen Zeitschriften im Bereich der Nanotechnologie geworden. In den InCites Journal Citation Reports von 2022 hat Nano Research einen Impact Factor von 10,269 (9,136, 5 Jahre), die Gesamtzahl der Zitate erreichte 29620, was den ersten Platz unter den internationalen akademischen Zeitschriften Chinas bedeutet, und die Zahl der hoch zitierten Artikel erreichte 120, was unter den Top 2,8% von mehr als 9.000 akademischen Zeitschriften liegt.
Das Papier wurde von der Tsinghua University Press auch auf SciOpen (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4955-5) veröffentlicht.
Über SciOpen – SciOpen ist eine professionelle Open-Access-Ressource für die Entdeckung wissenschaftlicher und technischer Inhalte, die von der Tsinghua University Press und ihren Verlagspartnern herausgegeben wird, und bietet der wissenschaftlichen Verlagsgemeinschaft innovative Technologien und marktführende Fähigkeiten. SciOpen bietet End-to-End-Dienste in den Bereichen Manuskripteinreichung, Peer-Review, Content-Hosting, Analytik und Identitätsmanagement sowie fachkundige Beratung, um die Entwicklung jeder Zeitschrift zu gewährleisten, indem es eine Reihe von Optionen für alle Funktionen wie Zeitschriftenlayout, Produktionsdienste, redaktionelle Dienste, Marketing und Werbung, Online-Funktionalität usw. anbietet. Durch die Digitalisierung des Publikationsprozesses vergrößert SciOpen die Reichweite, vertieft die Wirkung und beschleunigt den Austausch von Ideen.
Kategorien Forschung, News, Verbraucher, Wirtschaft Schlagworte Li-Ionen-Batterien, Nitrile
Elektrochemiker finden heraus, wie Elektrolytzusatz Leistung von Batterien mit Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode effektiv verbessert Nitrile – organische Verbindungen, bei denen ein Kohlenstoffatom dreifach an ein Stickstoffatom gebunden ist – werden üblicherweise der Elektrolytformel für Batterien mit einer Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode zugesetzt, wodurch diese Batterien ihrer vollen theoretischen Leistung sehr viel näher kommen. Bis jetzt haben Batterieforscher aber den genauen Wirkungsablauf dieser Nitrile noch nicht vollständig verstanden. Eine Gruppe von chinesischen Elektrochemikern hat nun moderne Mikroskopietechniken eingesetzt, um die Vorgänge auf molekularer Ebene genauer zu untersuchen und herauszufinden, was dabei vor sich geht; dadurch eröffnen sich neue Wege für eine noch bessere Batterieleistung. Die Studie wurde am 22.09.2022 in Nano Research veröffentlicht.
Aktualisierte Fassung des Faktenpapiers zum Klimawandel Hitze und Dürre in Europa, Flutkatastrophe in Pakistan und Temperaturrekorde in Indien zeigen: Der Klimawandel verstärkt sich weiter, oft schneller als bisher angenommen. Das zeigt auch der neue Sachstandsbericht des Weltklimarates. Die aktuellen Daten und Erkenntnisse aus dieser und weiteren Studien der letzten Monate wurden nun in das Faktenpapier „Was wir heute übers Klima wissen“, eingearbeitet. Ein eigenes Kapitel widmet sich den neuesten Entwicklungen in Deutschland, wie das Deutsche Klima-Konsortium am 29.09.2022 den Medien mitteilte.
Marktrückkehr von Braunkohlekraftwerken startet wie geplant – Anpassungen der Energieeinspar-Verordnung Das Bundeskabinett hat am 28.09.2022 wichtige Verordnungen zur weiteren Stärkung der Vorsorge für den kommenden Winter gebilligt: Zum einen wurde vom Kabinett die Verordnung zur sogenannten Versorgungsreserve verabschiedet (1). Damit können die Braunkohlekraftwerke aus der bisherigen Sicherheitsbereitschaft wie geplant und wie im Ersatzkraftwerke-Bereithaltungsgesetz vorgesehen zum 01.10.2022 an den Markt zurückkehren. Außerdem hat das Kabinett die Verordnung zur Rückkehr der Kraftwerke aus der Netzreserve angepasst und den Geltungszeitraum des Netzreserve-Abrufs verlängert (2). Schließlich billigte die Ministerrunde Anpassungen der Energiesicherungsverordnung für kurzfristige Energiesparmaßnahmen (EnSikuMaÄV) (3).
Kreislaufwirtschaft: Internationale Studie des Fraunhofer IAO untersucht Wahrnehmung Wer die kommenden Konsumentengenerationen für sich gewinnen will, muss auch über den Fahrzeuginnenraum im Sinn der Kreislaufwirtschaft nachdenken. Das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO hat im Rahmen des Projekts „futureFlexPro“ eine internationale Studie mit einem design-orientierten Ansatz durchgeführt, um zielgruppenspezifischen Materialempfindungen zu untersuchen und Handlungsempfehlungen abzuleiten.
Von der Ausplünderung zur Regeneration Rechtzeitig zum 5. November, dem 70. Geburtstag der weltbekannten Wissenschaftlerin und Aktivistin Vandana Shiva erscheint ihr neuestes Werk, in dem sie ihre Themen mit Nachdruck und im Lichte der aktuellen Ereignisse vorträgt. Die Trägerin des Alternativen Nobelpreises macht deutlich, dass es nicht damit getan ist, das derzeitige Wirtschaftssystem zu reformieren. „Denn was wir derzeit haben, ist keine Ökonomie im Sinne von Oikos, dem gemeinsamen „Haus“ unserer Erde, dem Haushalt der Natur, den die Ökologie beschreibt. Was „Wirtschaft“ und „Wachstum“ genannt wird, ist Extraktivismus, Plünderung der Lebensgrundlagen, ein Zehren von der Substanz“, schreibt der Neue Erde-Verlag im Klappentext.
Potenziale für Wohngebäude in Deutschland 75 % der Wohngebäude in Deutschland sind geeignet für den Einbau einer Wärmepumpe. Mit der interaktiven Webkarte „Wärmepumpen-Ampel“ können Eigentümer von Wohngebäuden laut einer FfE-Medienmeldung vom 27.09.2022 prüfen, welche Möglichkeiten für ihr Gebäude bestehen. (Grafik © waermepumpen-ampel.ffe.de)
Wasser in Hunderten Kilometern Tiefe Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Instituts für Geowissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt analysierte Einschlüsse in Diamanten – mit überraschendem Ergebnis: Die Übergangszone zwischen oberem und unterem Erdmantel enthält offenbar erhebliche Mengen Wasser. Das deutsch-italienisch-amerikanische Forschungsteam hatte einen seltenen Diamanten aus 660 Metern Tiefe mithilfe unter anderem von Raman-Spektroskopie und FTIR-Spektrometrie analysiert. Die Studie zeigt, was bisher lange Zeit nur vermutet wurde: Ozeanwasser gelangt zusammen mit abtauchenden Platten bis in die Übergangszone. Der Wasserkreislauf unseres Planeten bezieht also auch das Erdinnere mit ein – so ein Artikel in Nature Geoscience. (Foto: Diamant aus Botswana – © Tingting Gu, Gemological Institute of America, New York)