Entwicklung eines nicht brennbaren Elektrolyten zur Verhinderung eines thermischen Durchgehens bei Lithium

Durch die Anpassung der Molekularstruktur organischer Carbonate in kommerziellen Elektrolyten wird die Brandgefahr von Batterien verringert. Nichtfluorierte, nicht brennbare Elektrolyte stellen einen praktikablen Weg zur Herstellung thermisch stabiler Hochleistungsbatterien dar.

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Der Präsident des Korea Institute of Science and Technology (KIST), Seok-Jin Yoon, gab bekannt, dass ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Minah Lee vom Energy Storage Research Center und Professor Dong-Hwa Seo vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST ) und Dr. Yong-Jin Kim und Jayeon Baek vom Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) haben einen nicht brennbaren Elektrolyten entwickelt, der bei Raumtemperatur nicht Feuer fängt, indem sie die Molekularstruktur von linearem organischem Carbonat so anpassen, dass Feuer und thermisches Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien verhindert werden .

Bildnachweis: Korea Institute of Science and Technology

Bildnachweis: Korea Institute of Science and Technology

Da der Einsatz mittelgroßer und großer Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen (ESS) zunimmt, wächst die Sorge vor Bränden und Explosionen. Brände in Batterien entstehen, wenn Batterien aufgrund von äußeren Einflüssen, Missbrauch oder Alterung kurzgeschlossen werden. Das Phänomen des thermischen Durchgehens, begleitet von einer Reihe exothermer Reaktionen, erschwert das Löschen des Feuers und birgt ein hohes Verletzungsrisiko. Insbesondere das lineare organische Carbonat, das in kommerziellen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, hat einen niedrigen Flammpunkt und fängt selbst bei Raumtemperatur leicht Feuer, was eine direkte Entzündungsursache darstellt.

Um die Entflammbarkeit des Elektrolyten zu verringern, wurde bisher häufig eine intensive Fluorierung in den Lösungsmittelmolekülen oder hochkonzentrierten Salzen eingesetzt. Dadurch war der Lithium-Ionen-Transport im Elektrolyten verringert oder diese waren mit kommerziellen Elektroden nicht kompatibel, was ihre Kommerzialisierung einschränkte.

(Links) Elektrolyt einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie (DEC) und ein neuer Elektrolyt (BMEC), entwickelt von einem gemeinsamen Forschungsteam von KIST, KITECH und KAIST (rechts).

Durch gleichzeitige Anwendung von Alkylkettenverlängerung und Alkoxysubstitution am Diethylcarbonat(DEC)-Molekül, einem typischen linearen organischen Carbonat, das in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterieelektrolyten verwendet wird, entwickelten die Forscher einen neuen Elektrolyten, Bis(2-methoxyethyl)carbonat(BMEC), mit erhöhtem Flammpunkt und erhöhter Ionenleitfähigkeit durch Erhöhung der intermolekularen Wechselwirkungen und der Solvatisierungsfähigkeit. Die BMEC-Lösung hat einen Flammpunkt von 121 °C, der um 90 °C höher ist als der der herkömmlichen DEC-Lösung und ist daher im Temperaturbereich für herkömmlichen Batteriebetrieb nicht zündbar. BMEC kann Lithiumsalz stärker dissoziieren als sein einfach alkyliertes Gegenstück, Dibutylcarbonat (DBC), und löst so das Problem des langsameren Lithiumionentransports bei gleichzeitiger Verringerung der Entflammbarkeit durch Erhöhung der intermolekularen Wechselwirkung. Dadurch behält es mehr als 92 % der ursprünglichen Kapazität des herkömmlichen Elektrolyten bei und reduziert gleichzeitig die Brandgefahr erheblich.

Darüber hinaus verringerte der neue Elektrolyt die Entwicklung brennbarer Gase um 37 % und die Wärmeentwicklung um 62 % im Vergleich zum herkömmlichen Elektrolyten. Das Forschungsteam demonstrierte den stabilen Betrieb von 1-Ah-Lithium-Ionen-Batterien über 500 Zyklen, indem es den neuen Elektrolyten mit einer Kathode mit hohem Nickelgehalt und einer Graphitanode kombinierte. Sie führten außerdem einen Nagelpenetrationstest an einem zu 70 % geladenen 4-Ah-Lithium-Ionen-Akku durch und bestätigten das unterdrückte thermische Durchgehen.

Dr. Minah Lee vom KIST erklärte: „Die Ergebnisse dieser Forschung bieten eine neue Richtung für die Entwicklung nicht brennbarer Elektrolyte, bei der zwangsläufig die elektrochemischen Eigenschaften oder die wirtschaftliche Machbarkeit geopfert wurden.“ „Der entwickelte nicht brennbare Elektrolyt ist preislich wettbewerbsfähig und hervorragend mit Elektrodenmaterialien mit hoher Energiedichte kompatibel. Daher wird erwartet, dass er in der herkömmlichen Infrastruktur für die Batterieherstellung eingesetzt wird. Letztendlich wird es die Entwicklung von Hochleistungsbatterien mit ausgezeichneter thermischer Stabilität beschleunigen.“

Dr. Jayeon Baek von KITECH erklärte: „Die in dieser Forschung entwickelte BMEC-Lösung kann durch Umesterung unter Verwendung kostengünstiger Katalysatoren synthetisiert und leicht skaliert werden.“ Zukünftig werden wir die Synthesemethode mit C1-Gas (CO oder CO2) weiterentwickeln, um ihre Umweltfreundlichkeit weiter zu verbessern.“

Vom Korean Institute of Science & Technology – KIST wurde 1966 als erstes staatlich finanziertes Forschungsinstitut in Korea gegründet. KIST ist nun bestrebt, durch führende und innovative Forschung nationale und gesellschaftliche Herausforderungen zu lösen und Wachstumsmotoren zu sichern. Weitere Informationen finden Sie auf der Website von KIST unter https://eng.kist.re.kr/

Diese Forschung wurde vom National Research Council of Science & Technology und dem Mid-Career Research Progam der National Research Foundation of Korea durch einen Zuschuss des koreanischen Ministeriums für Wissenschaft und IKT (Minister Jong-Ho Lee) unterstützt. Das Forschungsergebnis wurde in der neuesten Ausgabe von Energy & Environmental Science (IF 32,5, JCR Top 0,4 %), einer internationalen Fachzeitschrift im Bereich Energie- und Umweltwissenschaften, veröffentlicht.

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