Elektrolyttransport in porösen Elektroden modelliert

Lithium-Sauerstoff-Batterien könnten eines Tages die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien ablösen, da sie in der Theorie eine zehnmal höhere Energiedichte haben. Allerdings ist die Technologie noch nicht reif für die kommerzielle Nutzung. Neutronen geben Aufschluss über mögliche Elektrolyte und Kathodenmaterialien.

wettability Künstlerische Darstellung der zähflüssigen Lithiumsalzlösung, wie sie in das poröse Kohlenstoffmaterial gegossen wird. © AI generated, ChatGPT; Edited: Reiner Müller (FRM II)

Künstlerische Darstellung der zähflüssigen Lithiumsalzlösung, wie sie in das poröse Kohlenstoffmaterial gegossen wird. © AI generated, ChatGPT; Edited: Reiner Müller (FRM II)

Nicht brennbar und umweltfreundlicher

Zu den vielversprechenden Kandidaten als Elektrolyt in Lithium-Sauerstoff-Batterien gehören wässrige Lösungen mit einem hohen Lithiumsalzgehalt. Diese so genannten Water-in-Salt (WiS)-Elektrolyte besitzen nützliche Eigenschaften für eine verbesserte Leistung der Lithium-Sauerstoff-Batterien. Außerdem sind sie nicht brennbar und umweltfreundlicher als Batterien, die auf organischen Lösungsmitteln basieren.
Mesoporöser Kohlenstoff ist ein vielversprechendes Material für die Kathode in Lithium-Sauerstoff-Batterien. Neben der elektrischen Leitfähigkeit muss es viele weitere Anforderungen erfüllen, wie z. B. eine hohe Porosität und spezifische Oberfläche, während gleichzeitig eine hohe Durchlässigkeit für Sauerstoff und Li⁺-Ionen gewährleistet sein muss.

Neutronen ermöglichen einen detaillierten Einblick

Das Verständnis des Zusammenspiels von Elektrolyt und Kathodenmaterial ist entscheidend für die Entwicklung einer effizienten Elektrode. Eine argentinische Forschergruppe nutzte zusammen mit deutschen Kollegen die isotopenspezifische Wechselwirkung von Neutronen mit Li-Ionen. Mit Hilfe der Neutronenbildgebung am Instrument ANTARES verfolgten und modellierten sie die Transportprozesse von WiS Elektrolyten in dem monolithischen mesoporösen Kohlenstoff.

“Wir konnten sehen, dass dank der ausreichend starken Kapillarkräfte die Aufnahme von viskosen Lösungen von Lithiumsalzen durch den mesoporösen Kohlenstoff schneller erfolgt als die von reinem Wasser. Auch die Interdiffusion von Li⁺-Ionen zwischen dem getränkten Kohlenstoffmaterial und der flüssigen Elektrolytphase ist überraschenderweise relativ hoch”, sagt Dr. Michael Schulz, Co-Autor der Studie und Stellvertretender Wissenschaftlicher Direktor am FRM II. Die Ergebnisse könnten zu einer Weiterentwicklung von Elektroden für Lithium-Sauerstoff-Batterien und Superkondensatoren führen.