Neue Polymerelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von polymerisierten ionischen Flüssigkeiten

Lithium-Ionen-Batterien sind der aktuelle, industrielle Standard für mobile Energiespeicher in zahlreichen Anwendungen, wie Mobiltelefonen, Laptops und zunehmend auch der Personenbeförderung in Form von vollelektrischen Automobilen. In der öffentlichen Wahrnehmung herrscht nach wie vor eine gewisse Skepsis gegenüber dieser Batterietechnologie. Diese ist aufgrund des tatsächlich vorhandenen Gefahrenpotentials im Fall eines Zellfehlers auch nicht gänzlich unbegründet. Neben der Erhöhung der Batteriekapazität ist die Verbesserung der Sicherheit der Batterien daher ein Kernfokus in der Forschung an Lithium-Ionen-Batterien. Die Erhöhung der Batteriesicherheit kann im Wesentlichen auf zwei Ebenen zurückgeführt werden i) die Batterieebene, welche äußere Faktoren umfasst, wie das Gehäuse incl. Batteriedesign, Thermomanagement, Live-Überwachung des Batteriezustandes etc.; ii) die Zellebene, welche ursächlich auf die chemisch-physikalischen Prozesse in der einzelnen Batteriezelle fokussiert ist. In diesen Kontext, der Erhöhung der Sicherheit auf Zellebene, ist die vorliegende Arbeit einzuordnen.

Ein kritischer Punkt der Zellsicherheit ist das Elektrolyt-Separator-System. ... mehrKommerziell eingesetzte Elektrolyte, wie z.B. LP30, bestehen aus organischen Carbonaten und LiPF6 als Leitsalz. Diese sind nicht ideal, da im Fall von Defekten leicht brennbare Zersetzungsgase sowie giftiges HF-Gas entstehen können. Stabilere Lithium-Salze, wie LiTFSI, in Kombination mit nahezu unbrennbaren ionischen Flüssigkeiten (IL) stellen eine interessante Alternative dar, sind im Fall eines Auslaufens des Elektrolyten aus der Zelle jedoch potentiell gefährlich für die Umwelt.

Im Rahmen dieser Arbeit wird daher der Ansatz verfolgt ionische Flüssigkeiten durch kovalente Verknüpfung in feste Polymere zu überführen. Dadurch sollen die zahlreichen positiven Eigenschaften der IL in eine mechanisch stabile Form mit erhöhter Sicherheit gebracht werden. Zu diesem Zweck wurden acht neuartige, polymerisierbare ionische Flüssigkeiten aus zwei neuen, homologen Reihen in hohen Ausbeuten synthetisiert, polymerisiert und in Elektrolyt-Membranen in Lithium-Ionen-Zellen untersucht. Die Analyse der Struktur-Eigenschaftsbeziehung stellt einen Kernpunkt der Arbeit dar, um eine fundierte Optimierung der Materialeigenschaften durch gezielte Strukturmodifikationen zu erreichen. Die Arbeit zeigt weiterhin, wie die Materialeigenschaften durch den Einsatz verschiedener Leitsalzkonzentrationen und von Additiven wie Nanopartikeln, flüssigen Elektrolyt-Anteilen und Vernetzern beeinflusst werden können. In den Untersuchungen zeigte sich, dass die Nutzung von flüssigen Elektrolyt-Anteilen erforderlich ist, um die relevanten Materialeigenschaften, wie die Ionenleitfähigkeit, in Richtung praxistauglicher Werte zu verschieben. Daraus resultierte die Notwendigkeit weitere Modifikationen vorzunehmen, um beispielsweise eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten.

Ein Einsatz der Polymere ohne die Nutzung von zusätzlichen, flüssigen Elektrolyt-Anteilen ist aufgrund der geringen Ionenleitfähigkeiten nicht realistisch. Letztlich konnte jedoch der Beweis erbracht werden, dass die neuen, polymerisierten ionischen Flüssigkeiten grundsätzlich in Polymer-Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung von Additiven eingesetzt werden können. In Knopfzellen konnten die optimierten Polymer-Elektrolyt-Schichten mit kommerziellen Elektrodenmaterialien über mehrere Zyklen geladen und entladen werden. Im Vergleich zu kommerziellen Systemen weisen die polymerisierten ionischen Flüssigkeiten durch die hohe thermische Stabilität eine verbesserte Sicherheit auf. Weitere Optimierungsmöglichkeiten wurden vorgeschlagen, um die Leistungsfähigkeit der Elektrolyt-Mischungen weiter zu steigern, sodass diese potentiell auf ein industriell brauchbares Niveau gebracht werden können.