Innovative Elektrolyte auf Grundlage von ionischen Flüssigkeiten und Polymeren für Festkörperbatterien der nächsten Generation

Elektrolyte auf Grundlage von organischen Lösungsmitteln, die in aktuellen Li-Ionen-Batterien verwendet werden, sind nicht mit den Energiespeichertechnologien der nächsten Generation kompatibel, einschließlich solcher, die auf Lithium-Metall basieren. Daher gab es einen Anstieg der Forschungsaktivitäten, die sich mit Festkörperelektrolyten, ionischen Flüssigkeiten (ILs), Polymeren und Kombinationen dieser Stoffe befassen. Dieser Bericht wird einige der Arbeiten aus unseren Teams in diesen Bereichen erörtern. Ähnlich werden auch andere metallbasierte Technologien wie Na, Mg, Zn und Al als Alternativen zu Li-basiertem Energiespeicher in Betracht gezogen. Allerdings befindet sich die Materialforschung, die erforderlich ist, um diese auf Alkalimetallen basierenden Energiespeicheranwendungen effektiv zu ermöglichen, noch in den Kinderschuhen. Erneut spielen Elektrolyte eine bedeutende Rolle bei der Ermöglichung dieser Geräte, und die Forschung hat größtenteils in ähnlichen Bahnen wie bei fortschrittlichen Lithiumtechnologien fortgeschritten. Einige unserer jüngsten Beiträge in diesen Bereichen werden ebenfalls erörtert, zusammen mit unserer Perspektive auf zukünftige Richtungen auf diesem Gebiet. Ein Ansatz besteht darin, Ein-Ionen-Leiter zu entwickeln, bei denen das Anion an das Polymergerüst gebunden ist und das dominierende Ladungstransportmittel das Lithium- oder Natrium-Gegenion ist. Typischerweise haben diese eine geringe Leitfähigkeit, während durch die Verwendung eines Copolymeransatzes oder die Einbeziehung sperriger quartärer Ammonium-Gegenionen die effektive Ladungstrennung erhöht wird, was zu höheren Leitfähigkeiten und einer größeren Mobilität des Alkalimetallkations führt. Dies wurde sowohl experimentell als auch durch Computersimulationen demonstriert. Zukünftige Verbesserungen im Ionentransport könnten durch die Konstruktion und Bindung schwächer assoziierender Anionen an das Polymergerüst möglich sein. Der zweite Ansatz betrachtet Ionengelschichten oder verbundene Polymer-Elektrolyte, bei denen eine polymerisierte ionische Flüssigkeit die Matrix bildet, die sowohl mechanische Robustheit als auch ionische Leitungswege bereitstellt. Der Blockcopolymeransatz zeigt ebenfalls, dass in diesem Fall gleichzeitig mechanische Eigenschaften und hohe ionische Leitfähigkeit erreicht werden, wenn er in Kombination mit ionischen Flüssigkeitselektrolyten verwendet wird. Das ultimative Elektrolytmaterial, das hochleistungsfähige Festkörperbatterien ermöglicht, wird den Ionentransport von den mechanischen Eigenschaften entkoppeln. Während anorganische Leiter dies erreichen können, stellt ihre starre, spröde Natur Schwierigkeiten dar. Im Gegensatz dazu bieten ionische Polymere und ihre Komposite ein reichhaltiges chemisches Gebiet zur Gestaltung und Feinabstimmung hoher ionischer Leitfähigkeit zusammen mit idealen mechanischen Eigenschaften.