Redox-Mediator verbessert Leistung und Lebensdauer von Li-O2-Batterien

Lithium–air batteries besitzen das Potenzial, herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien zu übertreffen, da sie bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie speichern können. Allerdings blieben ihre hohen Leistungswerte bisher nur theoretisch, und ihre Lebensdauer ist nach wie vor zu kurz. Ein chinesisches Team hat nun die Zugabe eines löslichen Katalysators zum Elektrolyten vorgeschlagen. Er wirkt als Redox-Mediator, erleichtert den Ladungstransport und wirkt einer Passivierung der Elektroden entgegen.

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, bei denen Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden „hin- und hergeschoben“ werden, verwenden Lithium–air batteries (Li–O2) eine Anode aus metallischem Lithium. Während des Entladens lösen sich positiv geladene Lithium-Ionen und wandern zur porösen Kathode, durch die Luft strömt. Dort wird Sauerstoff oxidiert und in Lithiumperoxid (Li2O2) eingebunden. Beim Laden wird der Sauerstoff wieder freigesetzt und die Lithium-Ionen werden zu metallischem Lithium reduziert, das sich erneut auf der Anode abscheidet. Leider wurde die theoretisch hohe Leistungsfähigkeit solcher Batterien bisher nicht in der Praxis erreicht.

Tatsächlich verlangsamt ein als Überspannung (Overpotential) bekannter Effekt die elektrochemischen Reaktionen: Die Bildung und Zersetzung des unlöslichen Li2O2 verläuft langsam, und dessen Leitfähigkeit ist sehr gering. Außerdem neigen die Poren der Kathode zum Verstopfen, und das zur Sauerstoffbildung erforderliche hohe Potenzial zersetzt den Elektrolyten und fördert unerwünschte Nebenreaktionen. Dadurch verlieren die Batterien nach nur wenigen Lade-/Entladezyklen den Großteil ihrer Leistungsfähigkeit.

Ein Team um Zhong-Shuai Wu vom Dalian Institute of Chemical Physics of CAS in Zusammenarbeit mit Xiangkun Ma von der Dalian Maritime University hat nun die Zugabe eines neuartigen Imidazolium-Iodid-Salzes (1,3-dimethylimidazolium iodide, DMII) als Katalysator und Redox-Mediator vorgeschlagen, um die Leistung und Lebensdauer zu verbessern.

Die Iodid-Ionen (I−) in diesem Salz können leicht zu I3− reagieren und wieder zurück (Redox-Paar). Dabei übertragen sie Elektronen auf den Sauerstoff (Entladung) und nehmen sie wieder auf (Ladung). Dieser erleichterte Ladungstransport beschleunigt die Reaktionen, senkt die Überspannung der Kathode und erhöht die Entladekapazität der elektrochemischen Zelle. Die DMI⁺-Ionen aus dem Salz enthalten einen Ring aus drei Kohlenstoff- und zwei Stickstoffatomen. Dieser Ring verfügt über frei bewegliche Elektronen und kann während der Entladung Lithium-Ionen „einfangen“ und effektiv an den Sauerstoff an der Kathode übertragen. Darüber hinaus bilden die DMI⁺-Ionen einen ultradünnen, aber hochstabilen Grenzflächenfilm auf der Anode, der den direkten Kontakt zwischen Elektrolyt und Lithiumoberfläche verhindert, die Zersetzung des Elektrolyten minimiert und Nebenreaktionen unterbindet. Dies stabilisiert die Anode und erhöht die Lebensdauer der Batterie.

Die vom Team hergestellten elektrochemischen Testzellen erwiesen sich als äußerst vielversprechend: Sie zeigten eine sehr geringe Überspannung (0,52 V), eine hohe Zyklenstabilität über 960 Stunden sowie eine hochreversible Bildung und Zersetzung von Li2O2 ohne Nebenreaktionen.

About the Author
Dr Zhong-Shuai Wu ist Chair Professor und Gruppenleiter für 2D Materials Chemistry & Energy Applications am Dalian Institute of Chemical Physics, CAS. Seine Forschungsinteressen umfassen die Chemie von Graphen und 2D-Materialien, Oberflächen- und Nanoelektrochemie, elektrochemische Energiespeicher im Mikromaßstab, Superkondensatoren, Batterien und Energiekatalyse.

Original Publication
Zhong-Shuai Wu, Dalian Institute of Chemical Physics, CAS (China)
Journal: Angewandte Chemie
Title: A Bifunctional Imidazolyl Iodide Mediator of Electrolyte Boosts Cathode Kinetics and Anode Stability Towards Low Overpotential and Long-Life Li-O2 Batteries
Article Publication Date: 30 December 2024
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202421107

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