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Nicht brennbare Gelmembran könnte Energiedichte von Fluorid-Batterien verdoppeln
Fluorid-Batterien könnten Strom künftig ohne Lithium speichern, doch passende Elektrolyte leiten ihre Ionen bei Raumtemperatur oft nicht ausreichend. Eine neu entwickelte, gelartige Polymermembran ermöglicht nun wiederholte Lade- und Entladevorgänge in kleinen Versuchszellen. Die Messungen zeigen allerdings auch, dass die am besten leitende Rezeptur besonders schnell an Speicherkapazität verliert.
Mailand (Italien). Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus transportieren beim Laden und Entladen Lithiumionen zwischen ihren Elektroden. Fluorid-Ionen-Batterien setzen stattdessen auf negativ geladene Fluoridionen, die prinzipiell eine hohe Energiedichte ermöglichen könnten.
Bislang bremst vor allem der Elektrolyt, also das Material für den Ionentransport zwischen den Elektroden, diese Alternative. Feste Fluoridleiter müssen oft erhitzt werden, während flüssige Elektrolyte mit Stabilitätsproblemen kämpfen und geeignete halbfeste Membranen bei Raumtemperatur bislang nur unzureichend leitfähig waren.
Forscher des Politecnico di Milano (POLIMI) um Prof. Maurizio Sansotera haben nun einen halbfesten Elektrolyten in Form einer Fluorid-Austauschmembran entwickelt. Grundlage ist ein fluoriertes Polymer, dessen angehängte Ammoniumgruppen den Transport der negativ geladenen Fluoridionen unterstützen.
Die Membran wird mit einem Gemisch aus 1,3-Dioxolan und Dimethylsulfoxid (DMSO) durchtränkt und quillt dabei auf. Simulationen der Molekülbewegungen zeigen, dass besonders DMSO das Polymer streckt und miteinander verbundene Hohlräume schafft, durch die sich die Fluoridionen leichter bewegen können.
Bei 30 Prozent DMSO lag die Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur bei bis zu 1,3 Millisiemens pro Zentimeter. Ohne DMSO erreichte die Membran dagegen nur 0,0045 Millisiemens pro Zentimeter, was den erheblichen Einfluss der Quellung auf den Ionentransport verdeutlicht.
Um die Funktionsfähigkeit zu testen, bauten die Forscher symmetrische Knopfzellen mit Elektroden aus Blei und Bleifluorid. Darin verliefen Fluoridierung und Entfluoridierung beim Laden und Entladen bei Raumtemperatur reversibel, zunächst mit Kapazitäten um 80 Milliamperestunden je Gramm Bleifluorid.
Die mit Bauteilen aus derselben Fertigungscharge untersuchten Zellen absolvierten jeweils mehr als 50 Ladezyklen, einige mit zehn Prozent DMSO sogar 100. Nach 50 Zyklen behielt diese Rezeptur allerdings nur 58 Prozent ihrer Anfangskapazität, während die stärker gequollene Variante mit 30 Prozent DMSO sogar auf 29 Prozent zurückfiel.
Die höhere Leitfähigkeit der zweiten Rezeptur ging somit mit einem stärkeren Kapazitätsverlust einher. Eine flüssige Vergleichslösung erreichte anfangs zudem 184 Milliamperestunden je Gramm, also mehr als das Doppelte des Werts der Polymermembran. Zwischen unterschiedlichen Fertigungschargen schwankten die Ergebnisse außerdem deutlich, was auf noch ungelöste Probleme bei der Herstellung hinweist.
Die Universität beschreibt die Polymermembran als nicht brennbar und sieht darin einen möglichen Vorteil für die Batteriesicherheit. In der Originalstudie werden allerdings keine Brennversuche an einer vollständigen Batterie vorgestellt, sodass die Sicherheit künftiger Akkus noch nicht nachgewiesen ist.