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18.09.2020

07.02.2020

Sichere Kaliumionen-Batterien: nicht brennbarer Elektrolyt für Kalium-Hochleistungsbatterien



Ein Team von australischen Wissenschaftlern hat einen nicht brennbaren Elektrolyten für Kalium- und Kaliumionen-Batterien entwickelt. Dieser Batterietyp wird als möglicher Ersatz für die Lithium-Speichertechnologien gehandelt.

Wie die Autoren der in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, erhöht der neuartige Phosphat-Elektrolyt nicht nur die Batteriesicherheit. Er kann auch bei niedrigen Salzkonzentrationen betrieben werden, was eine notwendige Voraussetzung für großtechnische Anwendungen ist.

Die Lithiumionen-Technik dominiert derzeit die moderne Energiespeichertechnologie. Sie hat aber auch große Nachteile wie zum Beispiel hohe Kosten und Umweltprobleme, und der brennbare Elektrolyt macht die Batterie unsicher. Preisgünstigere Ionen sollen in Zukunft die Lithiumionen ersetzen.

Kaliumionen sind zum Beispiel reichlich verfügbar und haben prinzipiell gute Batterieeigenschaften. Allerdings sind auch Kaliumionen-Batterien nicht sicher, und nicht brennbare Elektrolyte gibt für sie ebenfalls noch nicht.

Die Materialwissenschaftlerin Zaiping Guo und ihr Team von der University of Wollongong (Australien) haben hier womöglich eine Lösung gefunden. Die Forscher entwickelten einen Elektrolyten für die Kalium- und Kaliumionen-Batterie auf der Basis eines Brandschutzmittels. Dieser Elektrolyt sei nicht nur nicht brennbar, sondern ermögliche auch den Batteriebetrieb bei geringeren Salzkonzentrationen, wie großtechnische Anwendungen sie verlangen, berichten die Wissenschaftler.

Hauptbestandteil des Elektrolyten war Triethylphosphat, eine Substanz, die auch als Flammschutzmittel bekannt ist und bereits in Lithiumionen-Batterien als Lösungsmittel getestet wurde. Hier erwies es sich aber als weniger geeignet, weil zu hohe Salzkonzentrationen erforderlich waren und sich der Elektrolyt nicht verdünnen ließ. Im industriellen Maßstab eignen sich nur verdünnte Elektrolyte. Mit Kaliumsalzen konnten die Wissenschaftler die Konzentration jedoch reduzieren.

Für Kalium- und Kaliumionen-Batterie stellten sie einen Triethylphosphat-Kaliumsalz-Elektrolyten her, der nicht brannte und bei Konzentrationen von 0.9 bis 2 Mol pro Liter stabile Lade- und Entladezyklen ermöglichte. Solche Konzentrationen sind für technische Anwendungen wie als Stromspeicher im Netzbereich interessant.

Die hohe Leistung ging nach Angabe der Autoren auf die Ausbildung einer gleichmäßigen festen leitfähigen Schicht an der Elektrode zurück. Die Schicht beobachteten sie nur mit dem Phosphat-Elektrolyten. Herkömmliche Carbonat-Elektrolyten konnten diese Schicht nicht aufbauen. Der Phosphat-Elektrolyt blieb auch während wiederholter Zyklen stabil. Unter den gleichen Bedingungen zersetzte sich dagegen der konventionelle Carbonat-Elektrolyt.

Wie Guo und ihr Team berichten, könnten Kaliumionen-Batterien der nächsten Generation durch neuartige Phosphat-Elektrolyten sicherer werden. Solche Elektrolyte auf der Basis von Flammschutzmitteln könnten weiterentwickelt und in die Konstruktion anderer nicht brennbarer Batteriesysteme eingehen.

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Quelle: Angewandte Chemie




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