de.wedoany.com-Bericht: Das Team um die Professoren CHEN Zhongwei, LUO Dan und WANG Dongdong vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat eine auf dem „Polarkontrast" basierende Elektrolyt-Designstrategie vorgeschlagen, um die Leistung von Lithium-Metall-Batterien unter extrem niedrigen Temperaturen zu verbessern. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen leidet die Lithium-Metall-Batterie unter Problemen wie langsamem Ionentransport, träger Kinetik der Lithium-Ionen-Desolvatation und verstärkten Grenzflächennebenreaktionen, was zu Kapazitätsverlust und schlechterer Zyklenstabilität führt und ihre Anwendung in Bereichen wie Energiespeicherung, Elektrofahrzeuge und Luft- und Raumfahrt einschränkt. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat das Forschungsteam durch die Regulierung der Ion-Dipol-Wechselwirkungen zwischen Anionen und Lösungsmitteln bei niedrigen Temperaturen eine stabile, von Anionen dominierte Solvatationsstruktur aufgebaut.
Die Studie identifizierte ein Paar von Lösungsmitteln mit „Polarkontrast"-Eigenschaften: Dimethoxymethan (DMM) mit dem niedrigsten maximalen elektrostatischen Potential (ESPmax) und Fluorethylencarbonat (FEC) mit dem höchsten ESPmax. Bei niedrigen Temperaturen begünstigt die abgeschwächte Wechselwirkung zwischen DMM und dem Bis(fluorosulfonyl)imid-Anion (FSI⁻) den Eintritt des Anions in die Solvatationshülle des Lithium-Ions; gleichzeitig verankert FEC durch verstärkte Ion-Dipol-Wechselwirkungen das FSI⁻ weiter, wodurch eine stabile, von Anionen dominierte Solvatationsumgebung entsteht. Darüber hinaus fördert die verstärkte Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen DMM und FEC die Kinetik der Lithium-Ionen-Desolvatation. Durch die präzise Regulierung dieser Wechselwirkungen erreichte das Team bei niedrigen Temperaturen einen Koordinationswechsel der Anionen.
Mit dieser Strategie induzierte der Elektrolyt die Bildung einer an Lithiumfluorid (LiF) reichen Festelektrolyt-Grenzflächenphase, was zu einer gleichmäßigen Lithiumabscheidung und einem hochreversiblen Abscheide-/Ablöseverhalten bei niedrigen Temperaturen beiträgt. Die Testergebnisse zeigen, dass eine Li||SPAN-Vollzelle mit diesem Elektrolyten bei -40 °C und einer hohen Flächenkapazität von 4,5 mAh/cm² nach 150 Zyklen eine Kapazitätserhaltungsrate von 80 % aufweist. Darüber hinaus zeigte eine Amperestunden-Pouch-Zelle bei -20 °C eine stabile Zyklenleistung über 50 Zyklen mit guter Zyklenstabilität und Kapazitätserhaltung bei niedrigen Temperaturen. CHEN Zhongwei erklärte, dass diese Studie neue Mechanismen der dynamischen Entwicklung von Solvatationsstrukturen unter niedrigen Temperaturen aufdeckt und eine neue theoretische Grundlage sowie Forschungsstrategien für das Design von Elektrolyten für Lithium-Metall-Batterien bei niedrigen Temperaturen bietet.
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