Werden Flüssigkristalle als Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien die Herstellung stabiler Lithium-Metall-Zellen ermöglichen?

Eine interessante Studie der Carnegie Mellon University. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, Flüssigkristalle in Lithium-Ionen-Zellen einzusetzen, um deren Energiedichte, Stabilität und Ladekapazität zu erhöhen. Da die Arbeiten noch nicht weit fortgeschritten sind, werden wir – wenn möglich – noch mindestens fünf Jahre auf ihre Fertigstellung warten.

Flüssigkristalle haben Displays revolutioniert, jetzt können sie Batterien helfen

Inhaltsverzeichnis

• Flüssigkristalle haben Displays revolutioniert, jetzt können sie Batterien helfen
  • Flüssigkristalle als Trick zur Gewinnung von Flüssig-Fest-Elektrolyten

Kurz gesagt: Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen streben nun danach, die Energiedichte der Zellen zu erhöhen und gleichzeitig ihre Leistung beizubehalten oder zu verbessern, einschließlich beispielsweise einer Erhöhung der Stabilität bei höheren Ladeleistungen. Die Idee ist, dass Batterien leichter, sicherer und schneller wiederaufladbar sind. Ein bisschen wie das Schnell-Billig-Gut-Dreieck.

Eine Möglichkeit, die spezifische Energie von Zellen deutlich zu erhöhen (um das 1,5- bis 3-fache), ist die Verwendung von Lithiummetallanoden (Li-Metall).. Nicht wie bisher aus Kohlenstoff oder Silizium, sondern aus Lithium, dem Element, das direkt für die Kapazität der Zelle verantwortlich ist. Das Problem besteht darin, dass bei dieser Anordnung schnell Lithiumdendriten entstehen, Metallvorsprünge, die schließlich die beiden Elektroden verbinden und diese beschädigen.

Flüssigkristalle als Trick zur Gewinnung von Flüssig-Fest-Elektrolyten

Derzeit wird daran gearbeitet, Anoden in verschiedenen Materialien zu verpacken, um eine äußere Hülle zu bilden, die den Fluss von Lithiumionen ermöglicht, aber keine festen Strukturen wachsen lässt. Eine mögliche Lösung des Problems ist auch die Verwendung eines Festelektrolyten – einer Wand, durch die die Dendriten nicht dringen können.

Wissenschaftler der Carnegie Mellon University verfolgten einen anderen Ansatz: Sie wollen bei bewährten Flüssigelektrolyten bleiben, allerdings auf Basis von Flüssigkristallen. Flüssigkristalle sind Strukturen, die auf halbem Weg zwischen Flüssigkeit und Kristallen liegen, also Festkörper mit einer geordneten Struktur. Flüssigkristalle sind flüssig, aber ihre Moleküle sind hochgeordnet (Quelle).

Auf molekularer Ebene ist die Struktur des Flüssigkristallelektrolyten lediglich eine kristalline Struktur und blockiert somit das Wachstum von Dendriten. Allerdings haben wir es immer noch mit einer Flüssigkeit zu tun, also einer Phase, die den Ionenfluss zwischen den Elektroden ermöglicht. Dendritenwachstum ist blockiert, Lasten müssen fließen.

Die Studie erwähnt dies nicht, aber Flüssigkristalle haben eine weitere wichtige Eigenschaft: Nachdem an sie Spannung angelegt wurde, können sie in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet werden (wie Sie beispielsweise anhand dieser Wörter und der Grenze zwischen ihnen sehen können schwarze Buchstaben und der helle Hintergrund). Es kann also sein, dass die Flüssigkristallmoleküle zu Beginn des Ladevorgangs der Zelle in einem anderen Winkel positioniert sind und dendritische Ablagerungen von den Elektroden „abkratzen“.

Optisch ähnelt dies dem Schließen der Klappen beispielsweise in einem Lüftungsloch.

Die Kehrseite der Situation ist das Die Carnegie Mellon University hat gerade mit der Erforschung neuer Elektrolyte begonnen.. Es ist bereits bekannt, dass ihre Stabilität geringer ist als die herkömmlicher flüssiger Elektrolyte. Der Zellabbau erfolgt schneller, und das ist nicht die Richtung, die uns interessiert. Es ist jedoch möglich, dass das Problem mit der Zeit behoben wird. Darüber hinaus erwarten wir das Auftreten von Festkörperverbindungen nicht vor der zweiten Hälfte des Jahrzehnts:

> LG Chem verwendet Sulfide in Festkörperzellen. Kommerzialisierung von Festelektrolyten frühestens 2028

Einführungsfoto: An der Elektrode einer mikroskopisch kleinen Lithium-Ionen-Zelle bilden sich Lithium-Dendriten. Die große dunkle Figur oben ist die zweite Elektrode. Die anfängliche „Blase“ aus Lithium-Atomen schießt irgendwann in die Höhe, wodurch ein „Whisker“ entsteht, der die Grundlage für den entstehenden Dendrit bildet (c) PNNL Unplugged / YouTube:

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