Innovative Konzepte für Festkörperelektrolyte könnten den Batteriesektor verändern

von Tatsuya Nakamura
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solid-state electrolyte

Innovationen in der Batterietechnologie wurden durch die Entwicklung eines neuartigen Festelektrolyten auf Chloridbasis durch Wissenschaftler gekennzeichnet, der die Ionenleitfähigkeit, Sicherheit und Erschwinglichkeit verbessert, die Batterieindustrie möglicherweise revolutioniert und ihre kommerzielle Attraktivität steigert.

Fortschritte bei Lithium-Metallchlorid-Festkörperelektrolyten durch Forscher.

Ein Team unter der Leitung von Professor Kang Kisuk vom Center for Nanoparticle Research am Institute for Basic Science (IBS) hat einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Festkörperbatterien aufgedeckt. Sie haben einen Festelektrolyten auf Chloridbasis mit hervorragender Ionenleitfähigkeit identifiziert, eine Entdeckung, die voraussichtlich zur Entwicklung effektiverer Batterien führen wird.

Die Notwendigkeit fester Elektrolyte

Die aktuellen kommerziellen Batterien, die auf flüssige Elektrolyte angewiesen sind, weisen Probleme hinsichtlich der Entflammbarkeit und potenziellen Explosionsgefahr auf. Daher ist die Entwicklung nicht brennbarer Festelektrolyte von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der Festkörperbatterietechnologie. Vor dem Hintergrund eines globalen Übergangs zu nachhaltigem Transport und der drohenden Regulierung von Verbrennungsmotoren zugunsten von Elektrofahrzeugen intensiviert sich die Forschung zu lebenswichtigen Komponenten von Sekundärbatterien, insbesondere zu Festkörpervarianten.

Die räumliche Verteilung der Metallionen (hier Yttrium) innerhalb der Schichten beeinflusst die Ionenleitfähigkeit. Für den ungehinderten Transit von Lithiumionen ist es erforderlich, dass die Metallionenbelegung innerhalb jeder Schicht 0,444 nicht überschreitet. Darüber hinaus erfordert der Weg für Lithiumionen innerhalb jeder Schicht, dass die Metallionenbesetzung mindestens 0,167 beträgt. Daher ist eine Besetzungsrate von Metallionen zwischen 0,167 und 0,444 in jeder Schicht der Schlüssel zum Erreichen einer hochleitfähigen Schicht. Bildnachweis: Institut für Grundlagenwissenschaften

Damit Festkörperbatterien für den regelmäßigen Gebrauch geeignet sind, ist die Entwicklung von Materialien mit hoher Ionenleitfähigkeit, erheblicher chemischer und elektrochemischer Stabilität und mechanischer Vielseitigkeit von entscheidender Bedeutung. Obwohl frühere Untersuchungen Festelektrolyte auf Sulfid- und Oxidbasis mit beträchtlicher Ionenleitfähigkeit ergaben, erfüllten sie nicht alle diese kritischen Kriterien.

Fortschritte bei Festelektrolyten auf Chloridbasis

In der Vergangenheit wurden Festelektrolyte auf Chloridbasis erforscht, die für ihre außergewöhnliche Ionenleitfähigkeit, mechanische Geschmeidigkeit und Hochspannungsstabilität bekannt sind. Diese Eigenschaften veranlassten einige Forscher, sie als Spitzenreiter für Festkörperbatterieanwendungen zu betrachten. Die anfängliche Begeisterung ließ jedoch nach, da die Abhängigkeit von Chloridbatterien von teuren Seltenerdmetallen wie Yttrium, Scandium und Lanthaniden als Sekundärkomponenten als unpraktisch angesehen wurde.

Angesichts dieser Herausforderungen untersuchte das IBS-Forschungsteam die Metallionenverteilung in Chloridelektrolyten. Sie stellten die Hypothese auf, dass die Variation in der Anordnung der Metallionen die Ionenleitfähigkeit von trigonalen Chloridelektrolyten beeinflussen könnte.

Ihre Hypothese wurde an Lithiumyttriumchlorid getestet, einer weit verbreiteten Lithiummetallchloridverbindung. Die Platzierung von Metallionen entlang des Pfads der Lithiumionen führte zu elektrostatischen Hindernissen, die deren Fluss behinderten. Im Gegenteil, wenn die Metallionenbesetzung minimal war, wurde der Weg für Lithiumionen zu eng, was ihre Bewegung behinderte.

Das Team nutzte diese Erkenntnisse und entwickelte Strategien zur Entwicklung von Elektrolyten, die diese Hindernisse überwinden, was schließlich zur Entwicklung eines Festelektrolyten mit erhöhter Ionenleitfähigkeit führte. Sie validierten ihren Ansatz weiter durch die Entwicklung einer Lithium-Metallchlorid-Festkörperbatterie mit Zirkonium, einer kostengünstigeren Alternative zu Optionen auf der Basis seltener Erdmetalle. Damit wurde erstmals die Bedeutung der Platzierung von Metallionen für die Ionenleitfähigkeit eines Materials aufgezeigt .

Die Konsequenz der Metallionenplatzierung

Diese Forschung unterstreicht den entscheidenden, aber oft unterschätzten Einfluss der Metallionenverteilung auf die Ionenleitfähigkeit von Festelektrolyten auf Chloridbasis. Es wird erwartet, dass dieser Durchbruch im IBS Center die Entwicklung einer Reihe von Festelektrolyten auf Chloridbasis anstoßen wird, wodurch die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien beschleunigt wird und ein Zeichen für die Zukunft sichererer und kostengünstigerer Energiespeicherlösungen gesetzt wird.

Der Hauptautor, Kang Kisuk, erklärt: „Der von uns entdeckte chloridbasierte Festelektrolyt wird die Barrieren überwinden, die herkömmliche Festelektrolyte auf Sulfid- und Oxidbasis darstellen, und uns der breiten Umsetzung von Festkörperbatterien einen Schritt näher bringen.“ ”

Referenz: „Design eines trigonalen Halogenid-Superionenleiters durch Regulierung der Kationenordnungsstörung“ von Seungju Yu, Joohyeon Noh, Byunghoon Kim, Jun-Hyuk Song, Kyungbae Oh, Jaekyun Yoo, Sunyoung Lee, Sung-O Park, Wonju Kim, Byungwook Kang, Donghyun Kil und Kisuk Kang, 2. November 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.adg6591

Die Forschung wurde vom Institute for Basic Science gefördert.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Festkörperelektrolyten

Welche Bedeutung hat der neue Festelektrolyt auf Chloridbasis?

Der neu entwickelte Festelektrolyt auf Chloridbasis ist von Bedeutung, da er verspricht, die Ionenleitfähigkeit zu verbessern, die Sicherheit zu verbessern und die mit Festkörperbatterien verbundenen Kosten zu senken, was möglicherweise die Batterieindustrie und ihre kommerzielle Landschaft verändern wird.

Wie verbessert der neue Festelektrolyt die Batteriesicherheit?

Durch den Ersatz brennbarer flüssiger Elektrolyte durch eine nicht brennbare feste Alternative verringert der neue Elektrolyt das Risiko von Bränden und Explosionen und verbessert so die Sicherheit von Batterien erheblich.

Was macht Festelektrolyte auf Chloridbasis gegenüber anderen Typen überlegen?

Festelektrolyte auf Chloridbasis sind für ihre hohe Ionenleitfähigkeit, mechanische Flexibilität und Stabilität bei hohen Spannungen bekannt, was sie zu guten Kandidaten für Anwendungen in Festkörperbatterien macht.

Warum sind Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge wichtig?

Festkörperbatterien sind für Elektrofahrzeuge wichtig, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Batterien eine höhere Energiedichte, mehr Sicherheit und eine längere Lebensdauer bieten, was zu längeren Reichweiten und schnelleren Ladezeiten führen könnte.

Welche Rolle spielte die Metallionenverteilung in dieser Forschung?

Es wurde festgestellt, dass die Verteilung der Metallionen im Festelektrolyten einen entscheidenden Einfluss auf die Ionenleitfähigkeit hat. Die Forschung zeigte, dass ein optimaler Bereich der Metallionenbelegung innerhalb der Elektrolytschichten für die Maximierung der Leitfähigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Können Sie die in der Studie erwähnten Metallionenbesetzungsraten erklären?

Die Studie ergab, dass zur Aufrechterhaltung einer hohen Ionenleitfähigkeit die Metallionenbesetzungsrate innerhalb der Elektrolytschichten mehr als 0,167, aber weniger als 0,444 betragen sollte. Raten innerhalb dieses Bereichs gewährleisten ein Gleichgewicht zwischen ausreichender Pfadbreite und minimaler Behinderung für Lithiumionen.

Wie sieht die Zukunft dieses chloridbasierten Festelektrolyten aus?

Die Entdeckung dieses chloridbasierten Festelektrolyten wird voraussichtlich zur Entwicklung einer Vielzahl von Chlorid-basierten Elektrolyten führen und die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien vorantreiben, wodurch die Erschwinglichkeit und Sicherheit der Energiespeicherung verbessert wird.

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5 Kommentare

Alex Smith November 5, 2023 - 2:15 pm

Aufgrund dieses neuen Designs sprechen wir also von günstigeren und sichereren Batterien. Das hört sich gut an, aber wird es für Alltagsmenschen wie uns tatsächlich erschwinglich sein?

Antwort
Emma Brown November 5, 2023 - 3:48 pm

Ich muss sagen, dass ich vom Forschungsfortschritt beeindruckt bin. Eine hohe Ionenleitfähigkeit könnte für Elektrofahrzeuge von entscheidender Bedeutung sein. In dem Artikel wurde etwas über die Ionenverteilung erwähnt. Das muss ich mir genauer ansehen

Antwort
Rachel Green November 5, 2023 - 5:50 pm

Ich war mir nicht sicher, um welche Metallionenbelegungsraten es sich handelt, aber es scheint wichtig für die Effizienz der Batterie zu sein. Ich denke, es hängt damit zusammen, wie gut die Batterie Energie speichern und übertragen kann.

Antwort
John Doe November 6, 2023 - 12:54 am

Ich habe gerade über die neue Batterietechnologie gelesen, die Chlorid verwendet. Das ist wirklich etwas, oder? Sicherheit wird bei all diesen Geräten, die wir führen, groß geschrieben

Antwort
Mike Ross November 6, 2023 - 2:28 am

Sie erwähnten Zirkonium als eine günstigere Option als Seltenerdmetalle. Das ist interessant, weil ich gehört habe, dass Zirkonium vorher hauptsächlich in Schmuck verwendet wurde

Antwort

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