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Forscher berichten über Fortschritte bei Raumtemperaturen bei Fluorid-Ionen-Batterien

Forscher berichten über Fortschritte bei Raumtemperaturen bei Fluorid-Ionen-Batterien

Wiederaufladbare Batterien auf Fluoridbasis können eine sehr hohe Energiedichte bieten. Gegenwärtige Fluoridbatterien verwenden jedoch geschmolzene Salzelektrolyte und müssen daher bei hohen Temperaturen arbeiten. Nun berichten ein Forscherteam von Caltech, das Jet Propulsion Laboratory (verwaltet von Caltech für die NASA), das Honda Research Institute und das Lawrence Berkeley National Laboratory über zwei Fortschritte, die den Weg in Richtung Raumtemperatur-Fluoridbatterien führen könnten. Ihr Papier wird in veröffentlicht Wissenschaft.

Fluorid-Ionen-Batterien bieten eine vielversprechende neue Batteriechemie mit bis zu zehnmal höherer Energiedichte als derzeit verfügbare Lithiumbatterien. Im Gegensatz zu Li-Ionen-Batterien stellen FIBs aufgrund von Überhitzung kein Sicherheitsrisiko dar. Durch die Beschaffung der Ausgangsmaterialien für FIBs wird die Umwelt wesentlich weniger belastet als durch das Extraktionsverfahren für Lithium und Kobalt.

-DR. Christopher Brooks, Chefwissenschaftler des Honda Research Institute, Co-Autor

Davis

Schema des externen Elektronenflusses, Elektrolytionen-Shuttling und Redox-Reaktionen an Fluorid-Ionen-Batterieelektroden (FIB) während Lade- oder Entladezyklen. Davis et al.

Der erste Fortschritt ist die Entwicklung eines flüssigen Elektrolyts bei Raumtemperatur, der auf einer stabilen Kombination von Tetraalkylammoniumsalz und fluoriertem Ether basiert. Das zweite ist ein Kupfer-Lanthan-Trifluorid-Core-Shell-Kathodenmaterial, das reversible partielle Fluorierungs- und Defluorierungsreaktionen demonstriert.

Fluorid-Ionen-Batterien sind potenzielle elektrochemische Speichermedien der nächsten Generation mit hoher Energiedichte. Derzeit sind solche Batterien auf den Betrieb bei hohen Temperaturen beschränkt, da geeignete ionenleitende Fluoridelektrolyte nur im festen Zustand bekannt sind.

Wir berichten über einen ionenleitenden flüssigen Fluoridelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit, breiter Betriebsspannung und robuster chemischer Stabilität auf der Basis trockener Tetraalkylammoniumfluoridsalze in Etherlösungsmitteln. Paarung dieses flüssigen Elektrolyts mit einem Kupfer-Lanthan-Trifluorid (Cu @ LaF3) Core-Shell-Kathode zeigen wir reversible Fluorierungs- und Defluorierungsreaktionen in einer elektrochemischen Fluoridionenzelle, die bei Raumtemperatur im Kreislauf geführt wird. Durch Fluoridionen vermittelte Elektrochemie bietet einen Weg zur Entwicklung von Kapazitäten, die über die Lithiumionen-Technologie hinausgehen.

-Davis et al.

Die Forscher haben zwei US-Patente erhalten.

Co-Autor Robert Grubbs, Caltech's Victor und Elizabeth Atkins Professor für Chemie und ein Preisträger des Nobelpreises für Chemie 2005, sagte:

Fluoridbatterien können eine höhere Energiedichte aufweisen, was bedeutet, dass sie länger halten können – bis zu achtmal länger als heute verwendete Batterien. Aber es kann schwierig sein, mit Fluorid zu arbeiten, vor allem, weil es so korrosiv und reaktiv ist.

Während Lithiumionen positiv sind (Kationen genannt), tragen die in der neuen Studie verwendeten Fluoridionen eine negative Ladung (und werden Anionen genannt). Die Arbeit mit Anionen in Batterien hat sowohl Herausforderungen als auch Vorteile.

Für eine Batterie, die länger hält, müssen Sie eine größere Anzahl von Ladungen transportieren. Das Bewegen mehrfach geladener Metallkationen ist schwierig, aber ein ähnliches Ergebnis kann durch Verschieben mehrerer einfach geladener Anionen erzielt werden, die sich vergleichsweise leicht bewegen. Die Herausforderung bei diesem Schema besteht darin, das System bei verwendbaren Spannungen arbeiten zu lassen. In dieser neuen Studie zeigen wir, dass Anionen in der Batterieforschung tatsächlich Beachtung verdienen, da wir zeigen, dass Fluorid bei ausreichend hohen Spannungen arbeiten kann.

– Simon Jones, Chemiker bei JPL und korrespondierender Autor der neuen Studie

Der Schlüssel dafür, dass die Fluoridbatterien in einem flüssigen und nicht in einem festen Zustand arbeiten, ist eine Elektrolytflüssigkeit, die als Bis (2,2,2-trifluorethyl) ether oder BTFE bezeichnet wird. Dieses Lösungsmittel trägt dazu bei, das Fluoridion stabil zu halten, damit es Elektronen in der Batterie hin und her bewegen kann.

BTFE besteht aus mehreren chemischen Gruppen, die so angeordnet sind, dass das Molekül zwei positiv geladene Bereiche erhält, die stark mit Fluorid interagieren, da Gegensätze anziehen. Simulationen zeigten, wie diese geladenen Regionen dazu führen, dass BTFE-Moleküle Fluorid umgeben und bei Raumtemperatur auflösen.

Der nächste Schritt bei der Auffrischung von Batterien auf Fluoridbasis besteht in der Verlängerung der Lebensdauer der Kathode und der Anode. Das Team hat dies bereits erreicht, indem es die Kupferkathode so stabilisiert hat, dass sie sich nicht im Elektrolyten löst.

Der Batterietest ist im Gange. Die Arbeit wurde vom Resnick Sustainability Institute und vom Molecular Materials Research Center, beide bei Caltech, der National Science Foundation, dem Department of Energy des Wissenschaftsministeriums und dem Honda Research Institute, unterstützt.

Ressourcen

  • Victoria K. Davis, Christopher M. Bates, Kaoru Omichi, Brett M. Savoie, Nebojša Momčilović, Qingmin Xu, William J. Wolf, Michael A. Webb, Keith J. Billings, Nam Hawn Chou, Selim Alayoglu, Ryan K. McKenney , Isabelle M. Darolles, Nanditha G. Nair, Adrian Hightower, Daniel Rosenberg, Musahid Ahmed, Christopher J. Brooks, Thomas F. Miller III., Robert H. Grubbs, Simon C. Jones (2018) Fluoridelektroden: Flüssigelektrolyte für energiereiche Fluoridionenzellen “ Wissenschaft Vol. 362, Ausgabe 6419, S. 1144-1148
    doi: 10.1126 / science.aat7070

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