Neue Materialien für Batterien:

Unsere Produktübersicht zu Materialien zur Energiespeicherung finden Sie hier oder im Downloadbereich unter "Produktlisten".

Elektrolyte, Leitsalze, Elektrodenmaterialien und Füllstoffe

Die Speicherung elektrischer Energie wird in der nahen Zukunft eine immer größere Bedeutung erlangen, sei es für Anwendungen im Automobilbereich oder für die mobile Elektronik, aber auch zur Stabilisierung des Stromnetzes, das im Zuge des Ausbaus der erneuerbaren Energien mehr Pufferkapazitäten benötigt. In diesem Zusammenhang spielen Batterien bereits heute eine wichtige Rolle, die in der Zukunft noch an Bedeutung gewinnen wird.

Als Speicher für elektrische Energie konkurrieren Batterien grundsätzlich auch mit elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren . Zwar weisen Batterien erheblich geringere Leistungsdichten als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren auf (Batterien: bis 1 kW/kg; Kondensatoren: bis 10 kW/kg), besitzen aber um rund zwei Größenordnungen größere Energiedichten als diese (Kondensatoren: rund 1 Wh/kg, Li-Ionen-Batterien: rund 150 Wh/kg). Folglich sind Batterien für eine Vielzahl von Anwendungen besser geeignet als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren.

A       Neue Elektrolyte

 

Der Aspekt der Sicherheit

Im Zuge der vielseitigen Anwendungen im Bereich der mobilen Elektronik und der Elektromobilität rückt neben der Energiespeicherdichte, der Lebensdauer der Batterie insbesondere auch der Sicherheitsaspekt zunehmend in den Vordergrund: Das Gefahrenpotential, das von einer Lithium-Ionen-Batterie ausgeht, ist nicht zu vernachlässigen, wie der folgende auf dem Portal Youtube gefundene Film verdeutlicht:

http://www.youtube.com/watch?v=jjAtBiTSsKY

In diesem Zusammenhang spielt neben dem Separator, der die beiden Halbzellen voneinander trennt, die elektrochemische und die thermische Stabilität des Elektrolyts eine wichtige Rolle.

Ionische Flüssigkeiten:

Neue Elektrolyte für Batterien

In diesem Zusammenhang werden ionische Flüssigkeiten bereits seit einigen Jahren als neuartige Elektrolyte für Lithium-, Lithium-Polymer- und Lithium-Ionen-Batterien intensiv beforscht, insbesondere in Asien. Im Vordergrund steht hierbei insbesondere der Sicherheitsaspekt, da besonders geeignete ionische Flüssigkeiten nur einen geringen Dampfdruck aufweisen und bei höheren Temperaturen nur einer sehr langsamen Zersetzung unterliegen.[i]

          http://www.youtube.com/watch?v=1LNzgC2ufaI

Wie oben erwähnt, weisen ionische Flüssigkeiten auch breite elektrochemische Fenster auf, d.h. sie weisen gegenüber Oxidations- und Reduktionsreaktionen eine erhebliche Stabilität auf, was neue Typen von Batterien mit besonders reaktiven Zwischenstufen ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Zyklenstabilität gewährleistet.

Die Verbesserung der elektrische Leitfähigkeit, die Viskosität und das Benetzungsverhalten ionischer Flüssigkeiten war lange Zeit eine der größten Herausforderungen. Im Rahmen unserer eigenen Forschung konnten mittlerweile Leitfähigkeiten von unter 20 mS/cm (25°C) erreicht werden. Zudem konnte durch Mischen von Ionischen Flüssigkeiten die Viskosität weiter herabgesetzt werden und die Leitfähigkeit erhöht werden. Weiter Informationen dazu finden Sie hier oder in der Zeitschrift für Physikalische Chemie (Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München)

Batterieschema

Darüber hinaus werden in dem vom Bundesministerium für Bildung, Forschung und Wissenschaft (BMBF) geförderten Verbundprojekt LiB Nano in Zusammenarbeit mit dem KIT die Grundlagen des Einsatzes ionischer Flüssigkeiten intensiv beforscht.

Zink-Luft und Lithium-Luft-Batterien:

Ionische Flüssigkeiten als Elektrolyte für neue Batteriekonzepte

Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Kombination des geringen Dampfdruckes ionischer Flüssigkeiten mit der Möglichkeit Sauerstoff zu lösen: Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, ionische Flüssigkeiten als besonders geeignete Elektrolyte für Metall-Luft-Batterien einzusetzen. Sollten Sie hieran interessiert sein, so setzen Sie sich mit uns in Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. .

Ein Beispiel für eine Zink-Luft Batterie mit einer Cholinchlorid/Harstoffmischung wird in diesem Video gezeigt: https://www.youtube.com/watch?v=wItaUesnX4U

Lithium-Metall-Batterie:
Vermeidung des dendritischen Wachstums

Im Spezialfall der Lithium-Metallbatterie wird das Lithium beim Ladevorgang, welcher der galvanischen Metallabscheidung von Lithium entspricht, nanokristallin in kontrollierten Schichten abgeschieden, d.h. ein so genanntes dendritisches Wachstum, das zum Kurzschluss der Batterie führen kann, wird minimiert oder sogar gänzlich vermieden. Hierfür eignen sich besonders einige unserer Elektrolyte, die auf dem Pyrrolidinium-Anion basieren. Sollten Sie hieran interessiert sein, so setzen Sie sich mit uns in Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann.

Li-Metall-Batterie

 

 

B       Leitsalze

 

Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid

Bislang ist das am häufigsten eingesetzte Leitsalz für Lithium-Ionen-Batterien Li PF6. Eine Alternative hierzu ist das Salz Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)amid (Li BTA). Das BTA-Anion ist im Vergleich zum PF6-Anion elektrochemisch stabiler und insbesondere erheblich stabiler gegen die Hydrolyse. Die erzielten Leitfähigkeiten liegen im Bereich von Li ClO4 und Li AsF6. In einer Reihe von Publikationen wurde der Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien, primären und sekundären Lithium-Metall-Batterien und Li-Polymer-Batterien erfolgreich gezeigt.

C       Elektrodenmaterialien

 

Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon-Nanotubes) und Graphen

Die Kohlenstoffallotrope Carbon-Nanotubes (CNTs) und Graphen haben in den letzten Jahren eine Reihe von Wissenschaftszweigen beflügelt, was bereits zu einer Vielzahl von Anwendungsbeispielen dieser Materialien geführt hat. Bei den Lithium-Ionen-Batterien sind diese Materialien besonders interessante Alternativen zu den seit geraumer Zeit eingesetzten Graphit-Elektroden.

Wir bieten Ihnen sowohl Single- als auch Multiwalled-Nanotubes  sowie Graphen an.

D       Füllstoffe

 

Erhöhung der mechanischen Stabilität und der Zyklenstabilität

IL-Nanokomposite können in Batterien die mechanische Stabilität und die Zyklenstabilität erhöhen, wie jüngst von Ahn et al. berichtet: In einer Poly(viniyliden fluorid-co-hexafluoropropylen)-basierten Membran für Lithium-Polymer-Batterien, wurden IL-Nanokompositmaterialien bestehend aus Bariumtitanat  und 1-Butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amid eingearbeitet, was nicht nur zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität führte, sondern eine akzeptable Entladungskapazität von 165 mAh×g-1 sowie eine gute Zyklenstabilität bei der Be- und Entladung ermöglichte.[i]

Text: Dr. Thomas J. S. Schubert, IOLITEC GmbH, 2011.

[IV B]



[i] P. Raghavan, X. Zhao, J. Manuel, G. S. Chauhan, J.-H. Ahn, H.-S. Ryu, H.-J. Ahn, K.-W. Kim, Changwoon Nah, Electrochimica Acta 2010, 55, 1347.

[i] K. Hayashi, Y. Nemoto, K. Akuto, Y. Sakurai, J. Power Sources 2005, 146, 689; V. R. Koch, C. Nanjundiah, G. B. Appetecchi, B. Scrosati, J. Electrochem. Soc. 1995, 142, L116–L118; A. B. McEwen, E. L. Ngo, K. LeCompte, J. L. Goldman, J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 1687. V. R. Koch, L. A. Dominey, C. Nanjundiah, M. J. Ondrechen, J. Electrochem. Soc. 1996, 143, 798; P. Bonhôte, A.-P. Dias, N. Papageorgiou, K. Kalyanasundaram, M. Grätzel, Inorg. Chem. 1996, 35, 1168; T. E. Sutto, H. C. De Long, P. C. Trulove, Proc. Electrochem. Soc. 2002, 2002-19, 134; F. F. C. Bazito, Y. Kawano, R. M. Torresi, Electrochim. Acta 2007, 52, 6427.

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