Elektrolyte für Hochleistungsenergiespeichersysteme Die Entwicklung innovativer Elektrolyte ist eine Schlüsselkomponente für die Realisierung sicherer und leistungsstarker Energiespeichersysteme. Um neue Elektrolytkomponenten mit hoher Sicherheit, niedrigen Kosten und hoher Umweltverträglichkeit zu identifizieren wurden mittels computergestützten Screenings die Lösungsmittel 1,1,2,2Tetramethoxyglyoxal (TMG) und 1,1,2,2-Tetraethoxyglyoxal (TEG) als vielversprechende Elektrolytkomponenten für Metallionenbatterien identifiziert. Diese weisen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungsmitteln höhere Flammpunkte, eine geringere Toxizität und einen vergleichbaren Preis auf. Aufgrund ihrer physikalisch-chemischen und elektrochemischen Parameter sowie der Ausbildung einer stabilen SEI (Solid Electrolyte Interface) können Glyoxalderivat basierte Elektrolyte in Li-, Na- und K-Ionen-Batterien verwendet werden. Durch Kombination von TEG/ TMG mit Amidsalzen (z.B. Li-, Na-, K- TFSI (Bis(trifluoromethansulfonyl)amid)) und der Mischung mit klassischen Carbonatlösungsmitteln (z.B. Propylencarbonat) konnte das Gefährdungspotential reduziert, die Recyclingfähigkeit und die elektrochemische Stabilität erhöht werden [5,6]. Des Weiteren konnten wir vor Kurzem zeigen, dass durch die mechanisch-chemische Reaktion eines nicht benötigten Pyrolyse-Reagenzes mit einer starken Säure (pKa=-11), ein leicht lösliches metallorganisches Leitsalz direkt in der Aktivkohle synthetisiert werden kann. Durch Zugabe eines Lösungsmittels kann der Elektrolyt in situ in der Zelle gebildet werden, was zu weniger Abfallprodukten führt [7]. Abb. 4. Verbleibende Kapazität der Superkondensatoren bei Stabilitätstests bei 20 °C (a) und 60 °C (b) basierend auf kommerziellem (rot) und neuartigem Elektrolyten (blau). Bild: Lukas Köps Mit der Identifizierung von N,N-Dimethylpyrrolidiniumtetrafluoroborat (Pyr11BF4) als neues Leitsalz konnten wir eine Alternative zu kommerziell verwendeten Salzen aufzeigen. Pyr11BF4 in Kombination mit dem herkömmlichen Lösungsmittel Acetonitril weist bessere Transporteigenschaften auf als die bisher verwendeten Salze. Eine erhöhte elektrochemische Stabilität, insbesondere bei erhöhten Temperaturen wirkt sich zusätzlich positiv auf die Energiedichte der Superkondensatoren aus, was die Anzahl potenzieller Anwendung erhöht [8]. [5] Leibing, C., Balducci, A. (2021): Glyoxylic-Acetal-Based Electrolytes in Combination with Soft and Hard Carbon Electrodes for Lithium-Ion Batteries: An Evaluation of Room and High Temperature Performance. Journal of The Electrochemical Society, DOI: 10.1149/19457111/ac23a2. [6] Liu, S., Meyer, C.L., Medenback, L. Balducci, A. (2021): Glyoxylicbased electrolytes for potassium-io batteries , Energy Storage Materials, DOI: 10.1016/j.ensm.2022.02.041. [7] Leistenschneider, D., Hess, L. H., Balducci, A., Borchardt, L. (2020): Solid-state transformation of aquous to organic electrolyte – Enhancing the operating voltage window of “in-situ electrolyte” supercapacitors. Sustainable Energy & Fuels, DOI: 10.1039/D0SE00180E. [8] Köps, L., Kreth, F. A., Bothe, A., Balducci, A. (2022): High voltage electrochemical capacitors operating at elevated temperature based on 1,1-dimethylpyrrolidinium tetrafluoroborate. Energy Storage Materials, DOI: 10.1016/j.ensm.2021.10.006. Abb. 3. Chemisch-physikalische Eigenschaften von TMG und TEG (Netzgraphen) sowie reversible Lithiuminterkalation in Graphit (Mitte) von jeweils einer 1M LiTFSI Lösung in TMG (blau) und TEG (rot). Bild: Lars Henning Heß FORSCHUNG — 103
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