Inhaltsstoff in Zahnpasta könnte Leistung von E-Auto-Batterien steigern
Natriumfluorid, eine Fluorverbindung, ist ein wichtiger Bestandteil vieler Zahnpasten. Diese Substanz dient dazu, die Zähne vor Karies zu schützen. Aber fluorhaltige Verbindungen haben noch andere praktische Verwendungszwecke, unter anderem für die E-Mobilität. Wissenschaftler:innen des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums haben einen Fluorid-Elektrolyten entdeckt, der E-Auto-Batterien der nächsten Generation vor einem Leistungsabfall schützen könnte, berichtet Science Daily.
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Forschende verwenden neuen Elektrolyt
„Eine aufregende neue Generation von Batterietypen für Elektrofahrzeuge, die über Lithium-Ionen hinausgehen, steht am Horizont“, sagt Zhengcheng Zhang, Gruppenleiter in der Abteilung für chemische Wissenschaften von Argonne. Die Chemie von Nicht-Lithium-Ionen-Batterien bietet im Vergleich zu Lithium-Ionen die doppelte oder mehr gespeicherte Energie bei gleichem Volumen oder Gewicht. Sie könnten Autos über viel längere Strecken antreiben und eines Tages sogar Langstrecken-Lkw und Flugzeuge antreiben. Das Problem ist, dass ihre hohe Energiedichte bei wiederholtem Laden und Entladen schnell abnimmt.
Das Team von Argonne hat nun jedoch eine Lösung entwickelt, die den Wechsel des Elektrolyten vorsieht. Elektrolyte sind bei Batterien die Flüssigkeit, durch die sich die Lithiumionen zwischen Kathode und Anode bewegen, um das Laden und Entladen zu realisieren. In Lithium-Metall-Batterien ist der Elektrolyt eine Flüssigkeit, die aus einem lithiumhaltigen Salz besteht, das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Das Problem ist, dass sie keine ausreichende Schutzschicht auf der Anodenoberfläche bildet.
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Elastische Schutzschicht bei Batterien
Die Forscher:innen entdeckten ein neues Fluoridlösungsmittel, das eine robuste Schutzschicht für Hunderte von Zyklen aufrechterhält. Es verbinde eine positiv geladene fluorierte Komponente (Kation) mit einer anderen negativ geladenen fluorierten Komponente (Anion). Man spreche hierbei von einer ionischen Flüssigkeit, also einer Flüssigkeit, die aus positiven und negativen Ionen besteht.
„Der entscheidende Unterschied in unserem neuen Elektrolyten ist der Ersatz von Wasserstoffatomen durch Fluor in der ringförmigen Struktur des Kationenteils der ionischen Flüssigkeit“, so Zhang. „Das hat den entscheidenden Unterschied gemacht, um die hohe Leistung über Hunderte von Zyklen in einer Lithium-Metall-Testzelle aufrechtzuerhalten.“ In Simulationen zeigte sich, dass Fluorkationen an den Anoden- und Kathodenoberflächen haften bleiben und sich dort ansammeln, bevor ein Lade-Entlade-Zyklus stattfindet. In den frühen Phasen des Zyklus bildet sich dann eine elastische Schutzschicht, die besser sein soll als die, die mit bisherigen Elektrolyten möglich ist.
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Substanz soll sicherer und umweltfreundlicher sein
Laut dem Forschungsteam bietet der Elektrolyt noch viele weitere Vorteile. Erstens sei die Substanz kostengünstig, weil sie mit extrem hoher Reinheit und Ausbeute in einem einfachen Schritt produzierbar sei. Zweitens soll der Elektrolyt umweltfreundlich sein, weil er viel weniger Lösungsmittel benötigt, die flüchtig sind und Schadstoffe in die Umwelt freisetzen können. Drittens sei die Flüssigkeit sicherer als andere Lösungen, weil sie nicht entflammbar ist.
„Lithium-Metall-Batterien mit unserem fluorierten Kationenelektrolyt könnten die Elektrofahrzeugindustrie erheblich voranbringen“, so Zhang. „Und die Nützlichkeit dieses Elektrolyts erstreckt sich zweifellos auch auf andere Arten von fortschrittlichen Batteriesystemen, die über Lithium-Ionen hinausgehen.“
