Forscher der Nankai-Universität in China haben einen bahnbrechenden Fortschritt in der Batterietechnologie erzielt: Ein neu entwickeltes fluoriniertes tief-eutektisches Gel-Elektrolyt (DEGE) ermöglicht Lithium-Metall-Batterien (LMBs), die sicher über 9.000 Stunden betrieben werden können. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Journal of the American Chemical Society (DOI: 10.1021/jacs.5c08642), lösen zentrale Probleme wie Dendritenbildung, Leckagen und thermische Instabilität und ebnen den Weg für kommerzielle Anwendungen in Elektrofahrzeugen und Energiespeichern.
Hintergrund: Herausforderungen bei Lithium-Metall-Batterien
Lithium-Metall-Batterien gelten als Schlüsseltechnologie für zukünftige Energiespeicher aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazität, die eine Verdopplung der Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verspricht. Traditionelle flüssige Elektrolyte bergen jedoch erhebliche Risiken: Leckagen, Brände und das unkontrollierte Wachstum dendritischer Lithiumablagerungen führen zu Kurzschlüssen und Leistungsverlusten. Bisherige Gel-Elektrolyte boten Verbesserungen in Ionenspeisung, elektrochemischer Stabilität und thermischer Sicherheit, scheiterten aber an einer instabilen festen Elektrolyt-Zwischenschicht (SEI). Diese Schicht muss gleichmäßig, robust und dendritenhemmend sein, um Langzeitbetrieb zu gewährleisten. Die neue Studie adressiert genau diese Lücken durch gezielte Molekulardesign-Strategien.
Durchbruch: Fluorierte Amide als Basis für stabile DEGEs
Das interdisziplinäre Team aus Nankai und Partnerinstitutionen entwickelte eine Serie fluorinierter Amide, die als Grundlage für DEGEs dienen. Eine bidirektionale Screening-Methode berücksichtigte Molekularorbital-Energieniveaus und Ionen-Desolvationsbarrieren. Hervorstechend war 2,2,2-Trifluormethylacetamid (C=O?3F), das durch seine niedrige unbesetzte Molekularorbitalenergie (LUMO) und minimale Desolvationsbarriere für Li?-Ionen eine solvent-anion-kooperative Mechanismus ermöglicht. Dies fördert die schnelle Bildung einer kompakten SEI, angereichert mit Lithiumfluorid (LiF) und Lithiumnitrid (Li?N).
Fluorierter Gelelektrolyt ermöglicht stabile Lithium Grenzflächen
Atomkraftmikroskopie maß eine SEI-Härte von 6,9 GPa, was mechanische Stabilität gegen Dendritenwachstum gewährleistet. Spektroskopische Analysen bestätigten eine gleichmäßige Verteilung anorganischer Komponenten. Die Gel-Form verhindert Leckagen und minimiert thermische Expansion, was die Sicherheit bei hohen Temperaturen steigert.
Beeindruckende Testergebnisse: Langlebigkeit und Sicherheit
Elektrochemische Tests zeigten außergewöhnliche Leistung:
- Symmetrische Li||Li-Zellen liefen stabil über 9.000 Stunden.
- Li||LiFePO?-Zellen behielten nach 2.500 Zyklen 81,7 % Kapazität.
- Bei 80 °C hielten Zellen 300 Zyklen ohne Leistungsverlust.
- Pouch-Zellen bestanden Nagelpenetrationstests und Thermallaufversuche ohne Brand oder Kurzschluss.
Diese Werte übertreffen bestehende Systeme bei hohen Stromdichten und Temperaturen, demonstrieren Synergien aus Fluorierung und Gel-Konfinement und adressieren Kernbarrieren für die Skalierung von LMBs.
Finanzierung und wissenschaftlicher Kontext
Die Forschung wurde durch das Nationale Schlüssel-Forschungs- und Entwicklungsprogramm Chinas (2025YFF1502100), die National Natural Science Foundation of China (Grants 22479080, 92372203 u. a.) sowie regionale Förderprogramme in Tianjin und Nankai-Unterstützung finanziert. Das Journal of the American Chemical Society, seit 1879 das Flaggschiff der American Chemical Society, publiziert wegweisende Arbeiten in Chemie und angrenzenden Disziplinen.
Auswirkungen: Beschleunigung der Energiewende
Dieser Fortschritt markiert einen Meilenstein für die Kommerzialisierung von LMBs. Die erhöhte Energiedichte, verlängerte Lebensdauer und überlegene Sicherheit ermöglichen effizientere Elektrofahrzeuge, stabile Netzspeicher und Integration erneuerbarer Energien. In einer Zeit globaler Klimaziele könnte die Technologie den Übergang zu nachhaltiger Mobilität und CO?-neutraler Energieversorgung beschleunigen, indem sie höhere Reichweiten und schnellere Ladezeiten ohne Sicherheitsrisiken bietet. Experten sehen darin ein Blaupause für zukünftige Elektrolyt-Designs, die Grundlagenforschung mit praxisnahen Anforderungen verknüpfen.
Vollständige Studie: DOI: 10.1021/jacs.5c08642
