Neuer vielversprechender Hybrid-Elektrolyt vorgestellt
Neue Publikation zeigt gelungenes Materialdesign für sichere und nachhaltige Lithium-Metall-Batterien der Zukunft
01. Oktober 2024 – Forscher:innen vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IMD-4) des Forschungszentrums Jülich stellen in ihrer neuen Studie Aluminiumoxid-Polycaprolakton als trockenen Hybrid-Elektrolyten mit verbesserten Materialeigenschaften für die Nutzung in Lithium-Metall-Batterien (LMB) vor. Das Elektrolyt-Team rund um PD Dr. Gunther Brunklaus macht sich zu Nutze, dass LMB mit Hochspannungskathoden für die Realisierung von Hochenergiespeichersystemen prädestiniert sind, während feste Polymerelektrolyte eine Möglichkeit zur Steigerung der Batteriesicherheit und Lebensdauer bieten.
Verbesserte Sicherheit und Nachhaltigkeit
Feste Polymerelektrolyte wie Aluminiumoxid-Polycaprolakton bieten eine hohe betriebliche Sicherheit, da sie frei von flüssigen und brennbaren Komponenten sowie mechanisch formstabil sind. Die einfache Synthese, die Möglichkeit der Hochskalierung sowie die lösemittelfreie Polymerisation machen das Aluminiumoxid-Polycaprolakton-Hybridmaterial zudem zu einer potenziell nachhaltigeren und kostengünstigeren Alternative zu herkömmlichen Elektrolyten auf reiner Polymerbasis.
Synergetische Effekte durch chemische Pfropfung
Das vielversprechende Elektrolyt-Material Aluminiumoxid-Polycaprolakton wird in einer Ein-Topf-Synthese aus ε-Caprolacton und Aluminiumoxid-Nanopartikeln als zufällige Mischung bestehend aus linearem Polycaprolacton (PCL) und PCL-gepfropftem Aluminiumoxid hergestellt.
Durch die chemische Verknüpfung werden synergetische Effekte hinsichtlich der mechanischen Stabilität und der Ionenleitfähigkeit erzielt, wodurch die Herstellung PCL-basierter Membranen mit Dicken von 50 μm ermöglicht wird. Aluminiumoxid-Polycaprolakton ergibt eine für trockene Polymere beachtliche Ionenleitfähigkeit und Ratenfähigkeit.
„Der Ansatz des Pfropfens beschreibt, wie die Polymerketten auf Aluminiumoxid-Partikel kovalent, also chemisch, gebunden werden. Er ist im Forschungsbereich der Hybrid-Elektrolyte bislang unterrepräsentiert“, erklärt Felix Scharf vom Helmholtz-Institut Münster, der seine Promotionsarbeit zu diesem Thema verfasst.
Kooperationsprojekt FestBatt
Dr. Diddo Diddens, ebenfalls vom Helmholtz-Institut Münster, und Prof. Dr. Arnulf Latz vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU) begleiteten die Studie mit molekularen Modellierungen von Ladungstransportprozessen. Dies ermöglichte ein tiefergehendes Verständnis, woraus die experimentell beobachtete Steigerung der ionischen Leitfähigkeit bei Pfropfung resultiert.
Die Untersuchungen sind in das Kompetenzcluster FestBatt eingebettet. Es wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Studie in Fachmagazin Small veröffentlicht
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher:innen Felix Scharf, Annalena Krude, Peter Lennartz, Dr. Annika Buchheit, Dr. Fabian Kempe, Dr. Diddo Diddens, Pascal Glomb, Melanie M. Mitchell, Prof. Dr. Andreas Heuer, PD Dr. Gunther Brunklaus, Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IMD-4) des Forschungszentrums Jülich, Moritz Clausnitzer, Dr. Timo Danner, Prof. Dr. Arnulf Latz, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Helmholtz-Institut Ulm (HIU), Gourav Shukla, Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster, und Prof. Dr. Martin Winter, Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster als Open-Access-Artikel im Fachmagazin „Small“ veröffentlicht.
Weitere Informationen zu den entsprechenden Forschungsschwerpunkten am Helmholtz-Institut Münster finden Sie hier: