Sensation: Großer Durchbruch bei Festkörperbatterien! Ein Team der Tsinghua-Universität hat ein Schlüsselproblem gelöst, und die Arbeit wurde in der internationalen Spitzenzeitschrift "Nature" aufgenommen.

Es ist kein Traum mehr, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu verdoppeln! Die neuesten Forschungsergebnisse zu Festkörperbatterien von der Tsinghua-Universität sind veröffentlicht.

Nach Informationen von CheDongXi vom 28. September hat kürzlich das Team von Professor Zhang Qiang der Fakultät für Chemieingenieurwesen der Tsinghua-Universität neue Fortschritte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien erzielt. Gemeinsam haben sie eine neue Strategie zur Gestaltung der "anionenreichen Solvatationsstruktur" vorgeschlagen und erfolgreich einen neuen fluorhaltigen Polyether-Elektrolyten entwickelt.

Dieses Material kann es Festkörperbatterien ermöglichen, eine gravimetrische Energiedichte von bis zu 604 Wh/kg und eine volumetrische Energiedichte von 1027 Wh/L zu erreichen. Diese Werte sind fast doppelt so hoch wie die Energiedichte der derzeit fortschrittlichsten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien.

Derzeit wurde diese Studie von der internationalen Spitzenzeitschrift "Nature" aufgenommen.

▲Dieser Artikel wurde von "Nature" aufgenommen.

Basierend auf der hohen Energiedichte zeichnet sich diese Batterie auch durch eine lange Lebensdauer und hohe Sicherheit aus. Die Batterie kann nach mehr als 500 Zyklen immer noch eine hohe Kapazität behalten und hat den Nadelstichtest im vollgeladenen Zustand erfolgreich bestanden.

Man kann sagen, dass diese Arbeit eine bewährte wissenschaftliche Roadmap für die Herstellung praktischer, sicherer und hochenergetischer Batterien bietet und das elektrifizierte Transformationsprozess im Verkehrssektor und in weiteren Bereichen beschleunigen kann.

01. Lösung der Batterieinstabilität: Die Tsinghua-Universität bringt innovative Methoden ein

Die Forschung zeigt, dass die Kerninnovation dieses Durchbruchs ein neuer "in-situ aufgebauter" fluorhaltiger Polyether-basierter Polymerelektrolyt (FPE-SPE) ist.

Durch die präzise Regulierung der "Solvatationsstruktur" um das Lithiumion herum haben die Forscher erfolgreich das kritische Grenzflächeninstabilitätsproblem der hochkapazitiven lithiumreichen Manganoxid-Kathoden (LRMO), das seit langem ein Problem darstellt, gelöst.

▲Schematische Darstellung des Designs des fluorhaltigen Polyether-basierten Polymerelektrolyten

LRMO setzt nicht nur auf die Redoxreaktionen der herkömmlichen Übergangsmetallkationen (wie Mangan, Nickel, Kobalt) zur Ladungsspeicherung, sondern nutzt auch zusätzlich die Sauerstoffanionen im Gitter für den Ladungskompensationsprozess.

Daher ist LRMO eine fortschrittliche Kathodenmaterialklasse mit einer sehr hohen theoretischen spezifischen Kapazität, deren Kapazität normalerweise über 250 - 300 mAh/g liegen kann.

Aber diese hohe Energieausgabe ist auch eine Doppelschneide.

Die zusätzliche Batteriekapazität, die durch das LRMO-Material erzielt wird, birgt auch das Risiko von Batterieinstabilität.

Dies liegt daran, dass die Oxidation des Gitteroxygens in LRMO leicht irreversibel wird, was schließlich zur Bildung und Freisetzung von Sauerstoff führt und strukturelle Degradation, Spannungsabfall und andere Probleme verursacht.

Man kann sagen, dass die Studie der Tsinghua-Universität dieses Problem überwunden hat, indem sie die Kette des Kapazitätsabbaus durch die Stabilisierung des Anionen-Redox-Prozesses selbst unterbrochen hat, insbesondere den irreversiblen Endschritt der Sauerstoffbildung verhindert hat.

Der Artikel zeigt, dass die Forscher eine in-situ Polymerisationstechnik angewandt haben, bei der die flüssige Monomer-Vorläuferlösung in die Batterie injiziert wird und dann durch Erhitzen die Polymerisationsreaktion ausgelöst wird, so dass sich direkt auf der Elektrodenoberfläche ein fester Elektrolyt bildet. Diese Methode hat entscheidende Herstellungsvorteile: Sie kann eine nahtlose und enge Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode bilden und die Poren und den hohen Grenzflächenwiderstand, die bei herkömmlichen vorgefertigten Festkörperelektrolyten häufig auftreten, beseitigen.

02. "Weit vorne" in der Energiedichte und Sicherheit gewährleistet

Nach der Lösung des Kapazitätsabbausproblems der Batterie selbst ist die Batteriekapazität der Goldstandard für die zukünftige Massenproduktion.

Das Batteriedesign in dieser Studie ist sehr praktisch und modern. Es verwendet eine hochbelastete LRMO-Kathode (Flächenkapazität > 8 mAh/cm²), ein armes Elektrolytkonzept (Elektrolyt-Kapazitäts-Verhältnis von 1,2 g/Ah) und eine anodlose Struktur (Kupferfolie als Anodenstromableiter). Dies sind alle Schlüsseltechnologien für die Erzielung einer hohen Energiedichte.

Die anodlose Pouchzelle aus diesem neuen Material hat eine gravimetrische Energiedichte von 604 Wh/kg und eine volumetrische Energiedichte von 1027 Wh/L erreicht.

Ihre Energiedichte ist mehr als doppelt so hoch wie die der besten kommerziellen Elektromobilitätsbatteriepacks (ca. 255 Wh/kg) und auch im Vergleich mit den festgelegten Zielen von Festkörperbatterieunternehmen wie QuantumScape (800 Wh/L) sehr konkurrenzfähig.

▲Elektrochemische und Sicherheitsleistung von PTF-PE-SPE

Bei den Batterietests hat die Batterie mit FPE-PE-SPE (dem neuen Material, das von der Tsinghua-Universität erforscht wurde) eine ausgezeichnete Langzeitstabilität gezeigt. Nach 500 Zyklen bei 0,5 C hat sie immer noch eine Kapazitätserhaltung von 72,1 %. Im Vergleich dazu hat die Batterie mit dem herkömmlichen PE-SPE-Elektrolyten bereits nach 50 Zyklen auf 80 % der Kapazität abgenommen.

▲Vergleich der thermischen Überhitzungstemperaturen von Experimentprodukten und flüssigen Elektrolyten (Datenquelle: Tsinghua-Universität)

In Bezug auf die Sicherheit verleiht die physikalische Form dieses Elektrolyten in Kombination mit seiner einzigartigen chemischen Zusammensetzung (fluorhaltiges Polymer und TMP-Weichmacher) der Batterie inhärente flammhemmende Eigenschaften.

Experimente zeigen, dass die PTF-PE/LiTFSI-Folie selbst eine Selbstverlöscheneigenschaft hat, während die endgültige PTF-PE-SPE-Elektrolytfolie überhaupt nicht brennbar ist.

Im Nadelstichtest hat die vollgeladene FPE-SPE-Pouchzelle nach dem Durchstechen mit einer Stahlnadel weder Feuer gefangen noch explodiert und eine außergewöhnliche Toleranz gegenüber internen Kurzschlüssen gezeigt.

03. Leitung durch einen Top-Professor der Tsinghua-Universität: Vertiefte Forschung in der Batteriematerialchemie

Der Experte hinter dieser Studie ist Professor Zhang Qiang, ein langfristig angestellter Professor und Doktorvater an der Tsinghua-Universität.

Er hat den Distinguished Young Scholar Award der National Natural Science Foundation of China, den Young Scientist Award des Ministeriums für Bildung, den China Youth Science and Technology Award, den Beijing Youth May 4th Medal, das Newton Advanced Fellowship der Royal Society, den Liu Bing Award der Tsinghua-Universität und den Tian Zhaowu Award der Internationalen Elektrochemischen Konferenz erhalten und wurde von 2017 bis 2020 viermal nacheinander als "Global Highly Cited Researcher" ausgezeichnet.

▲Professor Zhang Qiang, langfristig angestellter Professor und Doktorvater an der Tsinghua-Universität (Quelle: Tsinghua-Universität)

In den letzten Jahren hat er sich darum bemüht, die großen nationalen Bedürfnisse mit der Grundlagenforschung zu verbinden. Im Hinblick auf die großen Bedürfnisse in der Energiespeicherung und -nutzung hat er sich insbesondere auf die Prinzipien und Schlüsselenergiematerialien von Lithium-Schwefel-Batterien konzentriert. Er hat die Lithiumbindungschemie und das Konzept der Ionen-Solvat-Komplexstruktur in Lithium-Schwefel-Batterien vorgeschlagen und gemäß den Anforderungen an Hochleistungsbatterien verschiedene Hochleistungsenergiematerialien wie Verbund-Lithiumanoden und Kohlenstoff-Schwefel-Kathoden entwickelt und Lithium-Schwefel-Pouchzellen aufgebaut.

04. Fazit: Ein weiterer Schritt zur Massenproduktion von Festkörperbatterien

Die Forschungsergebnisse der Tsinghua-Universität sind die perfekte Kombination aus klugem Materialdesign, tiefgehender Mechanismusverständnis und ausgezeichneter experimenteller Verifikation.

Durch einen aktiv gestalteten Polymerelektrolyten hat das Team das inhärente Instabilitätsproblem der LRMO-Kathode grundlegend gelöst und eine neue Dimension für die Leistung von Lithiumbatterien eröffnet.

Diese Studie ist auch ein klarer technischer Weg, der die Ansicht, dass die Lithium-Ionen-Technologie sich ihrem Leistungslimit nähert, zurecht weist und die Massenproduktion von Festkörperbatterien näher bringt.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Account "CheDongXi", Autor: Janson. Veröffentlicht von 36Kr mit Genehmigung.