Protische ionische Flüssigkeiten
Protische ionische Flüssigkeiten
Foto: Madlen BechstedtStructures of the most commonly used cations (top) and anions (below) for the realization of PILs suitable for energy storage devices. - Stettner, T, Balducci, A. (2021) Energy Storage Materials 40, 402-414.
Protische ionische Flüssigkeiten [engl.: Protic ionic liquids (PILs)] weisen nahezu alle typischen und vorteilhaften Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten auf, haben aber den Vorteil, dass sie einfacher zu synthetisieren und somit kostengünstiger sind als aprotische ionische Flüssigkeiten (AILs).
Ein Nachteil von PILs ist jedoch ihre Reaktivität gegenüber metallischen Alkalimetallen, in deren Gegenwart die PIL unter Wasserstoffbildung reduziert wird. Nichtsdestotrotz haben wir in Zusammenarbeit mit dem Politecnico in Turin im letzten Jahr einen PIL basierten Elektrolyten in einer sekundären Lithiummetall-Batterie vorgestellt. Hierfür haben wir als Anodenmaterial Lithiummetall und als Kathodenmaterial unter anderem Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid eingesetzt. Die Reduktion der PIL durch das elementare Lithium wurde erfolgreich mittels der Addition von Vinylencarbonat unterdrückt. Zusammen mit dem Additiv, bilden Reduktionsprodukte des Elektrolyten eine passive und isolierende Grenzschicht auf dem Lithiummetall, die weiteren Elektronenfluss zwischen Anode und Elektrolyt verhindert. Dadurch konnte ein reversibles und stabiles zyklisieren der Lithiummetall-Batterie ermöglicht werden, die selbst bei hohen Stromdichten gute Energiedichten erreicht.
Weiterhin konnte der Vorteil einer erhöhten Mobilität von Lithium-Ionen in einer PIL gegenüber einer AIL, erneut deutlich gemacht werden. Das zuvor beschriebene Batteriesystem wurde zusätzlich in einem AIL basierten Elektrolyten zyklisiert. Hierbei wurden bei höheren Stromdichten geringere Energiedichten erreicht, verglichen mit dem PIL basierten System.
Dies zeigt, dass die Einführung von innovativen PIL basierten Elektrolyten für die Entwicklung sicherer und kostengünstiger IL-basierter Lithium-Ionen-Batterien von Bedeutung sein kann.
Lingua, G., Falco, M., Stettner, T., Gerbaldi, C., & Balducci, A. (2021). Enabling safe and stable Li metal batteries with protic ionic liquid electrolytes and high voltage cathodes. Journal of Power Sources, 481, 228979.
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228979Externer Link
Stettner, T, Balducci, A. (2021). "Protic ionic liquids in energy storage devices: Past, present and future perspective." Energy Storage Materials 40, 402-414.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.036Externer Link
Stettner, T., Gehrke, S., Ray, P., Kirchner, B., & Balducci, A. (2019). Water in Protic Ionic Liquids: Properties and Use of a New Class of Electrolytes for Energy‐Storage Devices. ChemSusChem, 12(16), 3827-3836.
https://doi.org/10.1002/cssc.201901283Externer Link
Stettner, T., Lingua, G., Falco, M., Balducci, A., & Gerbaldi, C. (2020). Protic Ionic Liquids‐Based Crosslinked Polymer Electrolytes: A New Class of Solid Electrolytes for Energy Storage Devices. Energy Technology, 8(11), 2000742.