Kürzlich veröffentlichte ein Team aus Forschern des 811. Instituts der China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) und der Nankai-Universität in der internationalen Top-Fachzeitschrift „Nature“ eine bahnbrechende Arbeit zur Elektrolyttechnologie für Lithiumbatterien: die erfolgreiche Entwicklung eines Fluorkohlenwasserstoff-Elektrolyten für Hoch-Energiedichte- und Kältebatterien. Dies markiert einen neuen Durchbruch Chinas bei der Kernkompetenz von Lithiumbatterien und könnte die Reichweite bestehender Lithiumbatterien verdoppeln und ihre Kältebeständigkeit deutlich verbessern.

Funktionsfähig bis minus 70°C

Li Yong, Forscher am 811. Institut, erklärt, dass die Energiedichte aktuell auf dem Markt erhältlicher Lithiumbatterien bei Raumtemperatur etwa 300 Wh/kg beträgt. Bei minus 20°C sinkt sie jedoch drastisch auf unter 150 Wh/kg. Diese bahnbrechende Forschung ermöglicht hingegen eine Energiedichte von über 700 Wh/kg bei Raumtemperatur und etwa 400 Wh/kg selbst bei minus 50°C.

„Einfach gesagt kann die Speicherkapazität einer Lithiumbatterie gleicher Masse bei Raumtemperatur um das Zwei- bis Dreifache oder mehr gesteigert werden. Dadurch könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen von 500-600 km auf 1000 km oder mehr erhöht werden. Zudem kann sie selbst unter extrem kalten Bedingungen von minus 70°C noch normal funktionieren“, so Li Yong.

Lösung für ein branchenweites Problem

Der Elektrolyt ist eine Schlüsselkomponente, die Kathode und Anode einer Lithiumbatterie verbindet. Er übernimmt die Funktion des Ionentransports, ähnlich einer „Autobahn“ zwischen den Elektroden, und ist von entscheidender Bedeutung für die Energieeffizienz, Betriebsstabilität und Temperaturbeständigkeit der Batterie.

Traditionelle Elektrolytlösungsmittel basieren hauptsächlich auf Sauerstoff(O)- und Stickstoff(N)-haltigen Liganden. Ihr Vorteil ist eine starke Löslichkeit von Lithiumsalzen, gleichzeitig begrenzen sie jedoch die Ladungsübertragung, was eine weitere Steigerung der Energiedichte von Lithiumbatterien erschwert und auch ihre Tieftemperatureigenschaften einschränkt.

Die Entwickler richteten ihren Blick auf Fluor, das sich im gleichen Periodensystemblock wie Sauerstoff befindet. Nach jahrelanger Forschungsarbeit entwickelten sie ein neues Paradigma für die Erforschung von Hochleistungselektrolyten: Sie überwanden Probleme wie die Unlöslichkeit von Fluor(F) in Lithiumsalzen und synthetisierten ein neuartiges Elektrolytlösungsmittel auf Basis monofluorierter Alkane. Dieses reduziert effektiv die Viskosität des Elektrolyten, verbessert die Oxidationsstabilität und die Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen und steigert so die Leistungsabgabe von Hoch-Energiedichte-Lithiumbatterien in Kälte. In dieser Forschung übernahm das 811. Institut hauptsächlich die Kernforschungsaufgaben wie die Optimierung des Elektrolyten, das Forward-Design von Hoch-Energiedichte-Batteriezellen, die Optimierung dynamischer Grenzflächenprozesse und die Leistungsvalidierung unter realen Betriebsbedingungen, was seine herausragende Kompetenz und führende Position im Bereich fortschrittlicher Energietechnologien eindrucksvoll unterstreicht.

Eine völlig neue Zukunft der Energiewende

Der Durchbruch dieser Forschung beschränkt sich nicht nur auf das Labor. Seine breiten Anwendungsaussichten zeichnen eine völlig neue Zukunft der Energiewende.

Im Bereich Hochtechnologie kann er Raumfahrzeugen und anderen Geräten in der extrem kalten Tiefe des Weltraums eine zuverlässigere Energieversorgung bieten und Drohnen sowie verschiedenen intelligenten Robotern längere Laufzeiten und höhere Tragfähigkeiten ermöglichen. Im Alltag wird er entscheidende Hindernisse für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen und Handyakkus beseitigen. Er könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen und die Standby-Zeit von Handys bei niedrigen Temperaturen qualitativ verbessern, die Probleme der „Angst vor begrenzter Speicherkapazität“ und der „Angst vor Temperaturanpassung“ von Batterien lösen und unbegrenzte Möglichkeiten für eine energiereichere und sicherere Energiezukunft eröffnen.