Französisches Labor erklärt die Beweglichkeit von Lithium in stark konzentrierten Batterieelektrolyten

Das französische Laboratoire Léon Brillouin stellte am 22. Oktober eine Studie darüber vor, weshalb Wasser-in-Salz-Elektrolyte auch bei hoher Viskosität Ionen wirksam transportieren können. Célia Doublet und ihre Mitautoren kombinierten mehrere experimentelle Verfahren, um konzentrierte wässrige Lösungen von Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid, kurz LiTFSI, zu untersuchen. Die Arbeit erschien am 8. Oktober im Journal of Physics: Energy; die spätere Labormeldung beschreibt diese Forschung und keine neu hergestellte Batterie.

Die Experimente untersuchten Konzentrationen von 0,5 bis 21 Mol Salz je Kilogramm Wasser. Über diesen Bereich nahmen die Selbstdiffusionskoeffizienten von Wasser und Lithium etwa um den Faktor 18 ab, die Diffusion der TFSI-Anionen dagegen um mehr als den Faktor 35. Die Vergleiche betreffen Änderungen molekularer Beweglichkeit. Sie beschreiben weder Ladegeschwindigkeiten von Batterien noch Zuwächse der Energiekapazität.

Der Unterschied deutet darauf hin, dass die einzelnen Spezies den Widerstand der Flüssigkeit nicht gleich erfahren. Die Forschenden interpretieren ihre Messungen als Beleg für vorübergehende wasserreiche Bereiche innerhalb einer anionenreichen Umgebung. Wasser kann sich in diesen kleinen Bereichen rasch bewegen und zwischen ihnen wechseln. Die Struktur verändert sich mit der Zeit und liefert einen Mechanismus, durch den kleine solvatisierte Spezies trotz steigender Gesamtviskosität beweglich bleiben.

Das Team verband Messungen von Viskosität und Leitfähigkeit mit Kernspinresonanz mit gepulsten Feldgradienten und quasielastischer Neutronenstreuung. NMR verfolgte die Spezies über größere Distanzen, während Neutronen wesentlich kürzere Bewegungen erfassten. Genutzt wurden SHARPER, IN16B und IN13 am französischen Institut Laue–Langevin sowie FOCUS am Paul Scherrer Institut in der Schweiz. Die Auswertung unterschied weitreichende Selbstdiffusion des Wassers, lokale Translationsbewegung und Molekülrotation, statt sämtliche Bewegung einem einzigen Prozess zuzuschreiben.

Die Probenvorbereitung war wichtig, weil LiTFSI leicht Feuchtigkeit aufnimmt. Das Salz wurde über Nacht unter Vakuum bei 120°C getrocknet, Wasser mit Argon entgast und die Lösungen in einer Argon-Handschuhbox hergestellt. Die NMR-Messungen im höheren Temperaturzweig umfassten 25–45°C. Viskositätsmessungen deckten allgemein 5–50°C ab, mit Einschränkungen bei niedrigen Temperaturen für die konzentriertesten Lösungen wegen Salzausfällung. Diese Temperaturen sind Versuchsbedingungen und keine empfohlenen Betriebsgrenzen kommerzieller Batterien.

Die Studie verglich zudem Neutronenmessungen mit und ohne angelegte Polarisation von 1 Volt und fand im untersuchten Aufbau keine nachweisbare Änderung der Wasserdynamik. Die Autoren betonen, dass überwiegend das Elektrolytvolumen gemessen wurde: Der Beitrag der sehr dünnen Grenzflächenregion war zu gering, um aufgelöst zu werden. Daraus folgt nicht, dass elektrische Felder an Elektrodenoberflächen oder unter anderen Bedingungen keine Wirkung haben.

Die gewonnenen dynamischen Parameter können laut Autoren Molekulardynamik-Simulationen eingrenzen, einschließlich durch maschinelles Lernen unterstützter Varianten. Der Beitrag ist eine experimentell gestützte Erklärung des Transports in einem bestimmten Elektrolytsystem. Er liefert Informationen für Materialentwicklung und Modellierung. Kommerzielle Leistung erfordert weiterhin gesonderte Nachweise zu vollständigen Zellen, Zyklenfestigkeit, Herstellungskosten und Produktionsmaßstab.