Ein Forschungsteam der Abteilung für Energie- und Umwelttechnologie des DGIST unter der Leitung des Hauptforschers Kim Jae-hyun entwickelte eine Lithium-Metall-Batterie unter Verwendung eines „dreischichtigen festen Polymerelektrolyten“. Diese Innovation verbessert den Brandschutz erheblich und verlängert gleichzeitig die Batterielebensdauer, was sie zu einer vielversprechenden Lösung für Elektrofahrzeuge und große Energiespeichersysteme macht.

Die dreischichtige Festpolymerelektrolytzelle von DGIST verbessert Sicherheit, Effizienz und Haltbarkeit und löst Dendritenprobleme, während die Leistung nach 1.000 Zyklen bei 87,9 % bleibt. Es wird erwartet, dass es in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt wird, darunter Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme.

Herkömmliche Festpolymerelektrolytbatterien stehen aufgrund struktureller Einschränkungen, die einen optimalen Kontakt zwischen den Elektroden verhindern, vor Herausforderungen. Diese Einschränkungen lösen nicht das Problem der „Dendriten“ – der Bildung von dendritischem Lithium, die bei wiederholten Lade- und Entladezyklen auftritt. Dendritische Vorsprünge stellen ein ernstes Sicherheitsrisiko dar, da ihr unregelmäßiges Wachstum Batterieanschlüsse beschädigen und zu Bränden oder Explosionen führen kann.

Um diese Probleme zu lösen, entwickelte das Forschungsteam daher einen Elektrolyten mit dreischichtiger Struktur. Jede Schicht hat eine andere Funktion und verbessert so die Sicherheit und Effizienz der Batterie erheblich. Dieser Elektrolyt verwendet „Decabromdiphenylethan (DBDPE)“ zur Brandverhütung, „Zeolith“ zur Erhöhung der Festigkeit des Elektrolyten und eine hohe Konzentration des Lithiumsalzes „Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI)“ zur Förderung der schnellen Bewegung von Lithiumionen.

Dieser dreischichtige Festelektrolyt verfügt über eine starke Mittelschicht, die die mechanische Festigkeit der Batterie erhöht, während eine weiche Außenfläche für guten Elektrodenkontakt sorgt und die Bewegung von Lithiumionen erleichtert. Dies beschleunigt die Bewegung von Lithium-Ionen, verbessert die Energieübertragungsrate und verhindert wirksam die Dendritenbildung.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die vom Forschungsteam entwickelte Batterie nach 1.000 Lade- und Entladezyklen immer noch etwa 87,9 % ihrer Leistung beibehalten kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien, die normalerweise nur 70–80 % ihrer Leistung behalten, ist die Haltbarkeit deutlich verbessert. Zudem ist es im Brandfall selbstverlöschend, wodurch die Brandgefahr deutlich reduziert wird. Es wird erwartet, dass die Batterien in allen Bereichen zum Einsatz kommen, von kleinen Geräten wie Smartphones und Wearables bis hin zu Elektrofahrzeugen und großen Energiespeichersystemen.

„Diese Forschung wird voraussichtlich einen wesentlichen Beitrag zur Kommerzialisierung von Lithium-Metall-Batterien mit [festen Polymer-]Elektrolyten leisten und gleichzeitig die Stabilität und Effizienz von [Energie-]Speichergeräten verbessern“, sagte Dr. Jin.

DOI:10.1002/small.202406200

Zusammengestellt von /scitechdaily