Sicherere Batterien für Elektrofahrzeuge mit einzigartigem Nanokompositmaterial
Für die Einführung von Elektrofahrzeugen auf dem Massenmarkt ist die Zuverlässigkeit der Batterietechnologie von höchster Bedeutung. Hier sind neue Arten von Festkörperelektrolyte-Materialien erforderlich, um Sicherheitsbedenken auszuräumen und die nächste Generation aufladbarer Batterien zu begründen.
Von Flüssig- zu Festkörperelektrolyten
In konventionellen Lithium-Ionen-Batterien können sich die Lithium-Ionen während der Verwendung und des Ladens durch eine Elektrolytlösung zwischen der Anode und der Kathode hin- und herbewegen. Ionen werden üblicherweise von einem Flüssigelektrolyt bewegt. Doch die Entwicklung von Flüssigelektrolyten scheiterte des Öfteren an Sicherheitsbedenken. Wenn der organische Kohlenstoff, der in Lithium-Ionen-Batterien häufig verwendet wird, aus dem Batteriegehäuse ausläuft, könnte dies zu Explosionen oder Bränden führen. Aufgrund dieser Sicherheitsbedenken wendet sich die Industrie mittlerweile Festkörperbatterien zu, die aus anorganischen Glas-Keramik-Materialien oder organischen Polymeren hergestellt werden können. „Anorganische Glas-Keramik-Materialien weisen eine hohe Ionenleitfähigkeit auf, haben jedoch starre Schnittstellen und sind spröde“, erklärt David Mecerreyes, Koordinator des Projekts eJUMP, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde. „Im Gegensatz dazu verfügen organische Polymere über die gewünschten mechanischen Eigenschaften, doch ihre Ionenleitfähigkeit bleibt hinter den Erwartungen zurück.“
Neue Struktur kombiniert das Beste aus beiden Welten
Kürzlich schlug eine Forschungsgruppe am Institute of Frontier Materials an der Deakin University in Australien eine neue Klasse organischer Festkörperelektrolyten als primären Kandidaten für nachhaltigere Festkörperbatterien vor. „Organische ionische Kunststoffkristalle sind kristalline Materialien, die aus kleinen organischen Ionen mit kurzreichenden Molekularbewegungen bestehen. Durch diese Struktur erhalten die Kunststoffkristalle mehrere einzigartige Eigenschaften wie z. B. mehrere Fest-Fest-Phasenübergänge und plastische mechanische Eigenschaften, die den Schnittstellenkontakt mit Elektroden deutlich verbessern können und vor allem die Ionendiffusion unterstützen“, erläutert Mecerreyes. Die Arbeit der Gruppe zeigte außerdem, dass diese Art von Elektrolyten in Verbindung mit Polymerfüllstoffen verbesserte mechanische und Ionentransport-Eigenschaften aufweist. Die Forschung über die zugrunde liegenden Mechanismen dieser Verbundelektrolyten befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium. „Bisher konzentrierte sich die Forschung auf Nanoverbundstrukturen, die aus ionischen Flüssigkeiten, anorganischen Nanopartikeln und Polymeren bestehen. Wir kombinierten als Erste ionische Kunststoffkristalle mit einem neuartigen Typ von Polymernanopartikeln für Festkörperelektrolyte“, so Mecerreyes. Die Forschungsgruppe synthetisierte 30 bis 500 nm große funktionalisierte Polymernanopartikel mit kontrollierten Schnittstellenchemikalien, um die organischen ionischen Kunststoffkristalle zu verstärken. Nach der Nanopartikelsynthese konzentrierten sich die Forschenden auf die morphologischen und Ionentransport-Eigenschaften.
Die Bedeutung von Polymernanopartikeln
Die Verwendung von Polymernanopartikelfüllstoffen läuten einen Paradigmenwechsel für Verbund-Festkörperelektrolyten ein. Die meisten Nanopartikelfüllstoffe basieren üblicherweise auf anorganischen Materialien wie Aluminium- oder Siliciumdioxid, und die Schnittstellenmodifikation anorganischer Nanopartikel ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. „Der Ansatz von eJUMP vereinfacht die Nanopartikelsynthese deutlich. Die Polymerisation in dispergierten Medien ist ein einstufiger Prozess und ermöglicht sowohl die Kontrolle der Größe des Nanopartikels als auch die der an seiner Oberfläche aufgebrachten funktionellen Gruppen. Außerdem ermöglicht die niedrige Dichte der Polymere eine bessere Füllstoffdispersion in die Matrix der organischen ionischen Kunststoffkristalle“, erklärt Mecerreyes. Über die neuesten Entwicklungen im Bereich fester Polymerelektrolyten wird hier berichtet. Ein weiterer Artikel beschreibt, wie sich verschiedene Nanopartikeloberflächen auf das thermische Verhalten und die Ionentransporteigenschaften der organischen ionischen Kunststoffkristalle auswirken.
Schlüsselbegriffe
eJUMP, Batterien, Polymernanopartikel, Elektrofahrzeug, Festkörperelektrolyt, organische Polymerelektrolyte, organische ionische Kunststoffkristalle
