Forscher entwickeln einen nicht brennbaren Elektrolyten, um ein thermisches Durchgehen bei Lithium zu verhindern

Jun 15, 2023

1. August 2023

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Ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Minah Lee vom Energy Storage Research Center, Professor Dong-Hwa Seo von 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 .

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.

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

Durch gleichzeitige Anwendung von Alkylkettenverlängerung und Alkoxysubstitution am Diethylcarbonat (DEC)-Molekül, einem typischen linearen organischen Carbonat, das in kommerziellen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien 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 reduzierte 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. Die Forschung wird in der Zeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Dr. Minah Lee vom KIST sagte: „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 zeichnet sich durch wettbewerbsfähige Kosten und eine hervorragende Kompatibilität mit Elektrodenmaterialien mit hoher Energiedichte aus. Es wird daher erwartet, dass er in der herkömmlichen Batterieherstellungsinfrastruktur eingesetzt wird. Letztendlich wird er 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 mit kostengünstigen Katalysatoren synthetisiert und leicht skaliert werden. In Zukunft werden wir die Synthesemethode unter Verwendung von C1-Gas (CO oder CO2) entwickeln.“ seine Umweltfreundlichkeit weiter verbessern.“

Mehr Informationen: Jina Lee et al., Molekular hergestellte lineare organische Carbonate als praktisch brauchbare, nicht brennbare Elektrolyte für sichere Li-Ionen-Batterien, Energie- und Umweltwissenschaften (2023). DOI: 10.1039/D3EE00157A