Grundstein für fortschrittliche Dual-Ionen-Batterien gelegt
Kostengünstig und ohne toxische Materialien: Dual-Ionen-Batterien gelten als vielversprechend für die nachhaltige Energiespeicherung. In einem internationalen Kooperationsprojekt unter Beteiligung des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster wurden neue Erkenntnisse für ein besseres grundlegendes Verständnis der Interkalationsmechanismen und die Strukturen der daraus resultierenden Graphitinterkalationsverbindungen (GICs) gewonnen. Sie dienen als Grundlage, um Energiedichte und Zyklenleistung von positiven Graphitelektroden der Dual-Ionen- wie der Dual-Graphit-Batterien zu verbessern und stellen damit einen weiteren Schritt hin zur möglichen Kommerzialisierung der zukunftsträchtigen Technologie dar.
Der Elektrolyt im Fokus
Um die Eigenschaften der Anioneneinlagerung besser zu verstehen, untersuchte das internationale Forscherteam binäre hochkonzentrierte Mischelektrolyte auf Basis zweier unterschiedlicher Lithiumsalze. Denn der Elektrolyt fungiert in den Dual-Ionen-Batterien als Aktivmaterial: Anstelle nur einer Sorte von Ionen – der Lithium-Ionen – sind bei der Dual-Ionen-Batterie auch die Elektrolyt-Anionen an der Energiespeicherung beteiligt. Dr. Tobias Placke, Bereichsleiter Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, erklärt: „Trotz der wichtigen Rolle sind der Mechanismus der Anioneneinlagerung und die Strukturen der resultierenden GICs noch nicht ausreichend verstanden.“ Den Forschern gelang es, mittels in-situ Röntgenbeugungsstudien in Kombination mit ex-situ 19F-Magic-Angle-Spinning (MAS) Kernspinresonanz (NMR) Messungen GICs in verschiedenen Ladungszuständen zu identifizieren. Sie fanden zudem heraus, dass das binäre Elektrolytgemisch im Vergleich zu den Einzelsalz-Elektrolyten eine deutlich erhöhte Kapazitätserhaltung nach 100 Zyklen und eine verbesserte Interkalationskinetik – und damit verbesserte Leitfähigkeit – zeigt. „Auf Basis dieser Erkenntnisse kann der Elektrolyt für Dual-Ionen-Batterien weiter optimiert werden“, so Dr. Tobias Placke.
Detaillierte Ergebnisse der Studie wurden im „Journal of The Electrochemical Society“ veröffentlicht. Autoren sind die MEET Wissenschaftler Lukas Haneke, Dr. Andreas Heckmann und Dr. Tobias Placke sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, Joop Enno Frerichs und Prof. Dr. Michael Ryan Hansen vom Institut für Physikalische Chemie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, Prof. Michael M. Lerner vom Department of Chemistry, Oregon State University (Oregon, USA), Prof. Taner Akbay vom Department of Materials Science and Nanotechnology Engineering, Yeditepe University (Istanbul, Türkei), und Prof. Tatsumi Ishihara vom Department of Applied Chemistry, Faculty of Engineering, Kyushu University (Fukuoka, Japan). Die Studie ist eingebettet in das internationale Kooperationsprojekt „Dual-Carb“, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde.
Forschung an „ausgezeichneter“ Technologie
Das Potenzial der Dual-Ionen-Batterien als Zukunftstechnologie spiegelt sich auch im Ranking der „Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2020“ wider. Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) wählte die Dual-Ionen-Batterie unter die zehn aktuell vielversprechendsten Technologien, die perspektivisch im Stande seien, „große globale Probleme“ zu lösen. Das MEET hält wichtige Basispatente an dieser Technologie und hat auch den Begriff „Dual-Ionen-Batterie“ geprägt.
Die International Union of Pure and Applied Chemistry wurde im Jahr 1919 von Chemiker*innen aus Industrie und Wissenschaft gegründet. Sie ist die Weltautorität für chemische Nomenklatur und Terminologie, einschließlich der Benennung neuer Elemente im Periodensystem. Der IUPAC gehören 1623 Organisationen in 75 Ländern an. Auch Chemiker*innen der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster sind hierin vertreten.