Ein kostengünstiges Halogenidmaterial mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer vorgestellt

2025-09-09 | Jerry Huang

Anmerkung der Redaktion: Im Bereich der Energiespeicherung gelten Festkörperbatterien als beste Lösung für die Energiespeichertechnologie der nächsten Generation. Ihre Entwicklung wird jedoch seit langem durch kritische Engpässe bei den Elektrodenmaterialien behindert. Herkömmliche Festkörperbatterien (ASSBs) bestehen typischerweise aus Elektroden aus aktiven Materialien, festen Elektrolyten und leitfähigen Additiven. Diese inaktiven Komponenten (die 40–50 % des Elektrodenvolumens einnehmen) reduzieren jedoch nicht nur die Energiedichte, sondern induzieren auch Grenzflächenreaktionen und erhöhen die Tortuosität des Lithium-Ionen-Transports. Obwohl „All-in-One“-Designs (Materialien mit hoher Leitfähigkeit und elektrochemischer Aktivität) diese Probleme lösen könnten, haben bestehende Materialien wie Oxide (geringe Kapazität) und Sulfide (hohe Kosten) Schwierigkeiten, die Anforderungen zukünftiger Märkte zu erfüllen. Halogenide bieten Vorteile in Bezug auf niedrige Kosten und hohe Ionenleitfähigkeit, weisen jedoch eine unzureichende elektronische Leitfähigkeit und Energiedichte auf. Daher ist die Entwicklung von All-in-One-Materialien, die hohe elektrochemische Leistung, kostengünstige Skalierbarkeit und mechanische Stabilität vereinen, zu einer kritischen Herausforderung geworden.

Hier ist ein hervorragendes Beispiel. Ein Team der University of Western Ontario in Kanada liefert in seiner Nature-Studie eine revolutionäre Antwort – es entwickelte das weltweit erste Halogenidmaterial, Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, mit dynamischer Selbstheilungsfähigkeit und 3-in-1-Integration (Kathode/Elektrolyt/Leiter). Durch reversible Fe²⁺/Fe³⁺-Redoxreaktionen und einen einzigartigen Mechanismus zum Übergang von spröde zu duktil behält dieses Material nach 3.000 Zyklen 90 % seiner Kapazität und erreicht eine Elektrodenenergiedichte von 529,3 Wh kg⁻¹ (skalierbar auf 725,6 Wh kg⁻¹ mit Verbunddesigns). Noch bemerkenswerter ist, dass es nur 26 % der Kosten herkömmlicher Elektroden beträgt. Synchrotronstrahlung zusammen mit Atomsimulationen enthüllte erstmals einen durch Eisenmigration induzierten Selbstheilungsmechanismus! Diese Arbeit liefert nicht nur ein Kernmaterial für Festkörperbatterien, sondern bietet auch ein Paradigmenbeispiel für ein All-in-One-Design, das Materialien, Mechanik und Elektrochemie integriert. Dank des großen Einsatzes aller Forscher.

Abstrakt

Festkörperbatterien erfordern fortschrittliche Kathodendesigns, um ihr Potenzial für hohe Energiedichte und Wirtschaftlichkeit auszuschöpfen. Integrierte All-in-One-Kathoden, die ohne inaktive leitfähige Additive und heterogene Schnittstellen auskommen, versprechen erhebliche Energie- und Stabilitätssteigerungen, werden jedoch durch Materialien behindert, denen es an ausreichender Li+/e−-Leitfähigkeit, mechanischer Robustheit und struktureller Stabilität mangelt. Hier präsentieren wir Li1.3Fe1.2Cl4, ein kostengünstiges Halogenidmaterial, das diese Herausforderungen überwindet. Durch die Nutzung reversibler Fe2+/Fe3+-Redoxreaktionen und eines schnellen Li+/e−-Transports innerhalb seines Rahmens erreicht Li1.3Fe1.2Cl4 eine Elektrodenenergiedichte von 529,3 Wh kg−1 gegenüber Li+/Li. Entscheidend ist, dass Li1.3Fe1.2Cl4 während des Ladezyklus einzigartige dynamische Eigenschaften zeigt, darunter eine reversible lokale Fe-Migration und einen Übergang von spröde zu duktil, der ein selbstheilendes Verhalten bewirkt. Dies ermöglicht eine außergewöhnliche Zyklenstabilität mit einer Kapazitätserhaltung von 90 % über 3.000 Zyklen bei einer Rate von 5 C. Die Integration von Li1,3Fe1,2Cl4 mit einem nickelreichen Schichtoxid erhöht die Energiedichte weiter auf 725,6 Wh kg−1. Durch die Ausnutzung der vorteilhaften dynamischen, mechanischen und Diffusionseigenschaften von All-in-One-Halogeniden etabliert diese Arbeit All-in-One-Halogenide als Möglichkeit für energiedichte, langlebige Kathoden in Festkörperbatterien der nächsten Generation.

Verweise

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1

Wird Polymer-Lithium das Rennen um Festkörperbatterien gewinnen?

2025-09-08 | Jerry Huang

Anmerkung des Herausgebers: Es gibt vier Elektrolyttypen für Festkörper-Lithiumbatterien: Polymer, Oxid, Sulfid und Halogenid, jeder mit unterschiedlichen Eigenschaften:

Polymer-Lithium-Elektrolyte

Durch die Verwendung von Polymermaterialien als Elektrolyte bieten diese sowohl Flexibilität als auch eine hohe Ionenleitfähigkeit und eignen sich daher als Übergangslösung für halbfeste Batterien. Sie weisen eine gute Verarbeitbarkeit auf, die Langzeit-Zyklenstabilität muss jedoch noch validiert werden.

Lithiumoxid-Elektrolyte

Diese Elektrolyte basieren auf Materialien wie Lithiumoxid und sind kostengünstiger sowie stabiler, weisen jedoch eine relativ geringe Ionenleitfähigkeit auf.

Lithiumsulfid-Elektrolyte

Diese Elektrolyte basieren auf Lithiumsulfidverbindungen und zeichnen sich durch eine hohe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur sowie eine ausgezeichnete Schnittstellenkompatibilität aus. Damit gelten sie als die kommerziell vielversprechendste Technologie überhaupt. Sulfidmaterialien weisen jedoch eine geringe chemische Stabilität und hohe Produktionskosten auf.

Lithiumhalogenid-Elektrolyte

Halogenid-Festkörperelektrolyte weisen eine hohe Leitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit auf, befinden sich jedoch noch immer auf Laborniveau und haben unklare Aussichten auf eine Kommerzialisierung.

Allgemeine Merkmale

Festkörperbatterien ersetzen herkömmliche flüssige Elektrolyte durch anorganische Pulvermaterialien und erhöhen so die Sicherheit und Energiedichte deutlich. Allerdings weisen die verschiedenen technischen Verfahren erhebliche Unterschiede hinsichtlich Kosten und Prozessreife auf. So bietet beispielsweise die Sulfid-Technologie zwar eine hohe Leitfähigkeit, weist aber eine geringe chemische Stabilität auf, während die Polymer-Technologie mit Herausforderungen hinsichtlich der Zykluslebensdauer konfrontiert ist.

Die Feststoffbatterietechnologie befindet sich derzeit in einem kritischen Übergang von Laborprototypen zur Industrialisierung. Daher ist eine systematische Überarbeitung des Bewertungsrahmens dringend erforderlich. In der Laborphase stehen elektrochemische Leistungskennzahlen (wie Energiedichte, Zykluslebensdauer und Entladekapazität) im Vordergrund, während für die industrielle Feststoffbatterietechnologie die Festlegung mehrdimensionaler Bewertungskriterien erforderlich ist:

1. Erweiterte Bewertungen: Industrielle Anwendungen müssen systemische Faktoren berücksichtigen, darunter: Skalierbarkeit (einschließlich Prozesskompatibilität, Ertragskontrolle usw.), Reife der Lieferkette (einschließlich Stabilität kritischer Rohstoffe, Unterstützungskapazitäten für spezialisierte Geräte usw.) und Gesamtlebenszykluskosten (einschließlich Rohstoffbeschaffung, Herstellung, Recycling usw.);

2. Technologie-Kostenoptimierung: Die Industrialisierung erfordert ein optimales Gleichgewicht zwischen technischen Daten und Kosten, einschließlich eines dynamischen Gleichgewichts zwischen elektrochemischer Leistung und Herstellungskosten, der Auswirkungen der Materialsystemauswahl und ihrer Lieferkettenbelastbarkeit sowie eines Gleichgewichts zwischen der Komplexität des Produktionsprozesses und der Skalierbarkeit.

3. Systematische Bewertung: Einhaltung der wichtigsten Anforderungen, einschließlich Konsistenz der Massenproduktion (6σ-Qualitätskontrollstandard), Sicherheitszertifizierungen (z. B. Einhaltung von UL 9540A und anderen internationalen Standards) und Einzellinien-Produktionskapazitätsdesign ≥2 GWh usw.

Professor Guo sieht den Sieg von Polymerlithium im Wettlauf um Festkörperbatterien gegenüber Lithiumsulfidelektrolyten anders. Werfen wir einen Blick auf die Forschung des Xin Guo-Teams. Vielen Dank für den großartigen Einsatz aller Forscher.

Abstrakt

Festkörperbatterien (SSBs) versprechen eine Revolution in der Energiespeicherung, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mehr Sicherheit, höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer bieten. Unter den verschiedenen Festelektrolyten zeichnen sich Polymere durch ihre einzigartige Kombination aus Verarbeitbarkeit, mechanischer Nachgiebigkeit und chemischer Vielseitigkeit aus. Dieser Aufsatz untersucht, warum Polymere im Rennen um kommerzielle SSBs die Nase vorn haben. Ihre intrinsischen Vorteile – wie der bessere Grenzflächenkontakt mit Elektroden, die einstellbare Ionenleitfähigkeit und die Kompatibilität mit skalierbaren Herstellungsverfahren – sowie die wichtigsten technischen Herausforderungen, die sie bewältigen müssen, darunter begrenzte thermische Stabilität, enge elektrochemische Fenster und Grenzflächendegradation, werden untersucht. Diese Studie beleuchtet neue Lösungen aus der aktuellen Forschung, darunter Polymer-Moleküldesign, Polymer-Keramik-Verbundwerkstoffe und In-situ-Polymerisationsstrategien. Im Gegensatz zu Oxid- und Sulfidsystemen, die mit erheblichen Hürden hinsichtlich Kosten, Herstellbarkeit und Integration konfrontiert sind, bieten polymerbasierte Elektrolyte einen realistischen und wirtschaftlich tragfähigen Weg für den großflächigen Einsatz. Dank der kontinuierlichen Fortschritte in der Materialentwicklung und industriellen Verarbeitung sind Polymere nicht nur wettbewerbsfähig, sondern ebnen auch den Weg für den Übergang zu Festkörperbatterien der nächsten Generation.

Verweise

https://doi.org/10.1002/advs.202510481

Breaking News: Borlegierte Siliziumanoden verdreifachen die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

2025-06-29 |

Abstrakt

Die Stabilisierung der Festelektrolytgrenzfläche (SEI) bleibt eine zentrale Herausforderung für siliziumbasierte Lithium-Ionen-Batterieanoden. Die Legierung von Silizium mit Sekundärelementen wie Bor hat sich als vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Zyklenlebensdauer von Siliziumanoden erwiesen, der zugrundeliegende Mechanismus ist jedoch noch unklar. Um diese Wissenslücke zu schließen, wird systematisch untersucht, wie sich die Borkonzentration auf die Batterieleistung auswirkt. Die Ergebnisse zeigen einen nahezu monotonen Anstieg der Zyklenlebensdauer mit steigendem Borgehalt, wobei borreiche Elektroden reines Silizium deutlich übertreffen. Zudem weisen Anoden aus Silizium-Bor-Legierungen eine fast dreimal längere Lebensdauer auf als reines Silizium. Durch eine detaillierte mechanistische Analyse werden alternative Einflussfaktoren systematisch ausgeschlossen. Es wird vermutet, dass die verbesserte Passivierung durch einen starken permanenten Dipol an der Nanopartikeloberfläche entsteht. Dieser Dipol, gebildet durch unterkoordiniertes und stark Lewis-saures Bor, erzeugt eine statische, ionendichte Schicht, die die elektrochemische Grenzfläche stabilisiert, die parasitäre Elektrolytzersetzung reduziert und die Langzeitstabilität verbessert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die elektrische Doppelschicht im Rahmen der SEI ein wichtiger Aspekt bei der Oberflächenpassivierung ist. Diese Erkenntnis eröffnet einen bislang wenig erforschten Parameterraum für die Optimierung von Siliziumanoden in Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation.

Referenz

https://doi.org/10.1002/aenm.202501074

Welchen Unterschied macht LiTFSI bei Natrium-Metall-Batterien?

2025-06-29 |

Anmerkung der Redaktion: Natrium-Metall-Batterien sind wichtig für die Energiespeicherung im großen Maßstab und für mobile elektronische Geräte, da sie eine hohe Energiedichte und niedrige Kosten bieten. Die Leistungsfähigkeit von Elektrolyt und SEI begrenzt jedoch die Zyklenlebensdauer und die Lade-/Entladerate von Natrium-Metall-Batterien. Welchen Unterschied macht LiTFSI bei Natrium-Metall-Batterien? Hier ein Beispiel. Dank einer speziellen Forschung des Shuang Wan-Teams.

Abstrakt

Die Konstruktion einer robusten, an anorganischen Stoffen reichen Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) ist einer der entscheidenden Ansätze zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung von Natrium-Metall-Batterien (SMBs). Die geringe Leitfähigkeit und Verteilung gängiger anorganischer Stoffe in der SEI stören jedoch die Na+-Diffusion und führen zu einer ungleichmäßigen Natriumabscheidung. Hier konstruieren wir eine einzigartige SEI mit gleichmäßig verteilten, hochleitfähigen anorganischen Stoffen, indem wir ein selbstaufopferndes LiTFSI in den Natriumsalz-basierten Carbonatelektrolyten einbringen. Der reduzierende Konkurrenzeffekt zwischen LiTFSI und FEC erleichtert die Bildung der SEI mit gleichmäßig verteilten anorganischen Stoffen. Dabei bieten das hochleitfähige Li3N und die anorganischen Stoffe schnelle Ionentransportbereiche und Hochfluss-Keimbildungsstellen für Na+ und fördern so eine schnelle Natriumabscheidung mit hoher Rate. Die aus LiTFSI und FEC abgeleitete SEI ermöglicht der Na∥Na3V2(PO4)3-Zelle einen Kapazitätserhalt von 89,15 % (87,62 mA hg–1) bei einer ultrahohen Rate von 60 °C nach 10.000 Zyklen, während die Zelle ohne LiTFSI selbst nach 8.000 Zyklen nur 48,44 % Kapazitätserhalt liefert. Darüber hinaus weist die Na∥Na3V2(PO4)3-Pouchzelle mit der speziellen SEI einen stabilen Kapazitätserhalt von 92,05 % bei 10 °C nach 2.000 Zyklen auf. Dieses einzigartige SEI-Design eröffnet eine neue Strategie, um SMBs unter extremen Hochstrombedingungen zu betreiben.

Copyright © 2023 Amerikanische Chemische Gesellschaft

Referenz

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08224

LiTFSI leistet einen wichtigen Beitrag zur hohen Leistung von sulfidbasierten Festkörper-Lithiumbatterien

2025-06-27 |

Anmerkung der Redaktion: Wie trägt LiTFSI, CAS: 90076-65-6, zur Entwicklung sulfidbasierter Festkörper-Lithiumbatterien bei? Hier ein Beispiel. Dank der außergewöhnlichen Forschung des Teams von Fangyang Liu.

Abstrakt

Das enge elektrochemische Fenster von Sulfidelektrolyten kann zu unterschiedlichen Ausfallmechanismen an den Grenzflächen der Kathoden- und Anodenseite führen. Die Einführung unterschiedlicher Modifizierungsstrategien für die Kathoden- und Anodenseite erhöht die Komplexität des Herstellungsprozesses für sulfidbasierte Festkörper-Lithiumbatterien (ASSLBs). In dieser Arbeit wurde eine integrierte Modifizierungsstrategie durch Einführung von Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI)-Schalen während des Nassveredelungsprozesses von Li6PS5Cl (LPSC) angewendet, wodurch erfolgreich in situ robuste fluorierte Grenzflächen gleichzeitig auf sowohl der Kathoden- als auch der Anodenseite konstruiert wurden. Auf der Lithiumanodenseite unterdrückten die verringerte elektronische Leitfähigkeit von LiTFSI@LPSC und die Entstehung der fluorierten Grenzfläche wirksam das Wachstum von Lithiumdendriten, was durch Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Rechnungen weiter bestätigt wurde. Infolgedessen erreichte die Li|LiTFSI@LPSC|Li-Zelle eine kritische Stromdichte von bis zu 1,6 mA cm−2 und eine stabile Zyklenleistung über 1500 h bei 0,2 mA cm−2. Auf der Kathodenseite verbesserte das LiTFSI@LPSC nicht nur den Li+-Transport innerhalb der Verbundkathode, sondern auch die LiTFSI-Schale zersetzte sich in situ in eine LiF-basierte Kathodenelektrolyt-Grenzfläche (CEI). Die Kapazitätserhaltung erreichte 98,6 % nach 500 Zyklen bei 2C mit LiNi0,83Co0,11Mn0,06O2 (NCM83) bei einer hohen Abschaltspannung von 4,6 V. Das funktionalisierte LiTFSI@LPSC ermöglicht eine umfassende All-in-One-Grenzflächenmodifikation sowohl für die Anoden- als auch für die Kathodenseite, wodurch die Grenzflächentechnik in sulfidbasierten ASSLBs erheblich vereinfacht wird

Referenz

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104131

Was gibt es Neues bei LiTFSI-Anwendungen?

2025-06-26 | Jerry Huang

Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) mit der chemischen Summenformel C2F6LiNO4S2 ist eine weiße kristalline oder pulverförmige organische Substanz mit hoher elektrochemischer und thermischer Stabilität. Als Elektrolytzusatz kann LiTFSI in verschiedenen Batteriesystemen wie primären Lithiumbatterien, sekundären Lithiumbatterien und Festkörper-Lithiumbatterien eingesetzt werden.

Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI), ein wichtiger Bestandteil des Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien, ist für seine hervorragende thermische und elektrochemische Stabilität bekannt. Durch seine einzigartige Molekülkonfiguration bildet dieses Lithiumsalz ein festes Anionennetzwerk innerhalb des Elektrolyten, wodurch nicht nur die Viskosität der Lösung deutlich reduziert, sondern auch die Lithium-Ionen-Shuttle-Rate drastisch erhöht wird. Diese Eigenschaft führt direkt zu einer hohen Effizienz beim Laden und Entladen der Batterie, wodurch LiTFSI ideal zur Verbesserung der Gesamtleistung von Lithium-Ionen-Batterien geeignet ist. Insbesondere in der Forschung und Entwicklung von Festkörper-Lithiumbatterien zeigt LiTFSI großes Potenzial. Darüber hinaus zeigt es sehr positive Ergebnisse in der Forschung zu Natrium-Metall-Batterien (SMBs) und dürfte weitere Innovationen in der Batterietechnologie vorantreiben. Die Leistungsstabilität von LiTFSI in komplexen und systematischen Umgebungen ist jedoch die dringendste Frage, die in der aktuellen Forschung gelöst werden muss.

Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) wird zunehmend in neuen Batterietypen eingesetzt, beispielsweise in Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich Polymer-Festkörperbatterien, Sulfid-Festkörperbatterien und Oxid-Festkörperbatterien. LiTFSI hat sich als nützlich erwiesen, um die Batterieleistung zu verbessern, unter anderem durch seine Funktion als Anodenschutz, die Ermöglichung von Schnellladevorgängen und die hohe Leistung in einem weiten Temperaturbereich. Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid ist ein wichtiger Elektrolytzusatz für Lithiumbatterien. Es verbessert die elektrochemische Stabilität, die Zyklenfestigkeit und die Leitfähigkeit des Elektrolyten und wirkt bei höheren Spannungen weniger korrosiv auf Aluminiumfolie. Dies kann zur Erhöhung der Energiedichte von Batterien in der Elektrofahrzeugindustrie eingesetzt werden.

Bau eines kohlenstoffarmen Stromversorgungssystems geplant

2024-07-21 | Jerry Huang

Am 15. Juli 2024 veröffentlichten Chinas Nationale Entwicklungs- und Reformkommission (NDRC) und die Nationale Energieverwaltung (NEA) das „Programm zur CO2-armen Umstellung und zum Bau von Kohlekraftwerken (2024–2027)“. Darin heißt es: Bis 2025 werden alle Projekte zur CO2-armen Umstellung der ersten Kohlekraftwerke begonnen und eine Reihe von CO2-armen Energietechnologien in die Praxis umgesetzt. Die CO2-Emissionen der entsprechenden Projekte werden im Vergleich zum Jahr 2023 um etwa 20 % pro Kilowattstunde reduziert und liegen damit deutlich unter den CO2-Emissionen der bestehenden modernen Kohlekraftwerke. Auf diese Weise werden wertvolle Erfahrungen für die saubere und CO2-arme Umstellung von Kohlekraftwerken gesammelt. Durch die koordinierte Umstellung der bestehenden Kohlekraftwerke auf ein CO2-armes System und den Bau neuer CO2-armer Kohlekraftwerke wollen wir den Aufbau eines neuen Energiesystems beschleunigen, das sauber, CO2-arm, sicher und hocheffizient ist.

Laut einschlägigen Prognosen werden die CO2-Emissionen von Kohlekraftwerken bis 2030 etwa 4 Milliarden Tonnen betragen. Daher sind die kohlenstoffarmen Technologien der Kohleindustrie die wichtigste Unterstützung, um Chinas Ziel „2030 – 2060 CO2-Spitzenwert und CO2-Neutralität“ zu erreichen. Wie kann die Kohleindustrie also eine Dekarbonisierung erreichen?

01 Transformation und Baumethoden zur Dekarbonisierung der Kohlekraft

Laut dem Programm zur kohlenstoffarmen Umstellung und zum Bau von Kohlekraftwerken (2024–2027) gibt es drei konkrete Möglichkeiten, Kohlekraftwerke in kohlenstoffarme Kraftwerke umzuwandeln:

1. Beimischung von Biomasse. Durch die Nutzung von Biomasseressourcen wie land- und forstwirtschaftlichen Abfällen, Pflanzenresten und erneuerbaren Energiepflanzen und unter Berücksichtigung einer nachhaltigen Versorgung mit Biomasseressourcen, Sicherheit, Flexibilität, Betriebseffizienz und Wirtschaftlichkeit sollten Kohlekraftwerke mit Biomassekraftwerken gekoppelt werden. Nach der Umwandlung und dem Bau sollten die Kohlekraftwerke in der Lage sein, mehr als 10 % Biomassebrennstoffe beizumischen, wodurch der Kohleverbrauch und die Kohlenstoffemissionen erheblich gesenkt werden.

2. Grüne Ammoniakmischung. Durch die Verwendung von grüner Ammoniakmischung mit Kohlekraftwerken wird Strom erzeugt und ein Teil der Kohle ersetzt. Kohlekraftwerke sollten nach der Umrüstung und dem Bau in der Lage sein, mehr als 10 % grünes Ammoniak zu verbrennen, mit dem Ziel, den Kohleverbrauch und die Kohlenstoffemissionen deutlich zu senken.

3. Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung. Verwenden Sie chemische Methoden, Adsorption, Membran- und andere Technologien, um Kohlendioxid im Rauchgas von Kohlekesseln abzuscheiden und abzuscheiden. Kohlendioxid wird durch Druck- und Temperaturanpassung abgeschieden, gereinigt und komprimiert. Fördern Sie die Anwendung geologischer Technologien wie die effiziente Ölförderung durch Kohlendioxid. Verwenden Sie chemische Technologien wie Kohlendioxid plus Wasserstoff, um Methanol zu erhalten. Implementieren Sie die geologische Speicherung von Kohlendioxid entsprechend den örtlichen Bedingungen.

02 Übergangspfade für kohlenstoffarme Kohlekraft

Der Ausbau sauberer Energien, darunter Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie, ist der Schlüssel zur Umsetzung der Pläne für eine kohlenstoffarme Stromversorgung. Nachdem der steigende Strombedarf gedeckt ist, muss für die Energiewende die bestehende Kohlekraft weiter ersetzt werden. Nach 2030 wird nichtfossile Energie die bestehende Kohlekraft ersetzen und den größten Teil der Stromversorgung ausmachen; und nach 2050 wird der Anteil der Kohleverstromung an der gesamten Stromversorgung Chinas weniger als 5 % betragen.

Einer Studie der Renmin University of China zufolge lassen sich die Entwicklungsaussichten der chinesischen Umstellung auf eine kohlenstoffarme Kohlekraft in drei Schritte unterteilen:

1. Von jetzt an bis 2030, der Vorbereitungsphase für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft, wird die Kohlekraftwerkskapazität bis 2030 noch moderat wachsen. Gleichzeitig wird die erneuerbare Energie den größten Teil des Anstiegs der Stromversorgung ausmachen und der Anteil der installierten Kapazität von Wind- und Solarenergie wird bis 2030 mehr als 40 % betragen.

2. Die Jahre 2030-2045 sind die Übergangsphase. Nach 2030 wird der Anteil der Wind- und Solarenergie den der Kohleenergie schnell übersteigen und zur Hauptenergiequelle des Energiesystems werden. Kohlekraftwerke müssen mit Biomassetechnologie, CCUS und anderen sauberen kohlenstoffarmen Technologien gekoppelt werden, um die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.

3. Die Jahre 2045 bis 2060 gelten als Zeitraum der Stärkung und Verbesserung der Stromversorgung. Bis 2050 wird der Bedarf an Elektrizität gesättigt sein und die Kohlekraft wird vollständig in eine angepasste Stromversorgung umgewandelt, die der Verarbeitung und Aufnahme der Hauptleistung der Wind- und Sonnenenergie dient und Not- und Reservestrom bereitstellt.

Hier ist ein Beispiel für ein Kraftwerk in der Wüste Kubuqi. Die geplante Gesamtkapazität des Kraftwerks Kubuqi beträgt 16 Millionen Kilowatt, davon 8 Millionen Kilowatt Photovoltaik, 4 Millionen Kilowatt Windkraft und 4 Millionen Kilowatt moderne, hocheffiziente Kohlekraftwerke. Die bereits errichteten Solarkraftwerke sind spektakulär, 2 Millionen Kilowatt installierte Photovoltaikkapazität sind bereits in Betrieb. Wenn alle Projekte vollständig abgeschlossen sind, können Schätzungen zufolge jährlich etwa 40 Milliarden Kilowattstunden Strom an Millionen von Familien geliefert werden, wobei saubere Energie mehr als 50 % der Gesamtmenge ausmacht. Dies entspricht einer Einsparung von etwa 6 Millionen Tonnen herkömmlicher Kohle und einer Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um etwa 16 Millionen Tonnen pro Jahr. Es ist geplant, weitere saubere Energiebasen zu errichten. Erste Solarmodule gebaut Solarmodule ein Jahr später Solarkraftwerk fünf Jahre später

Was Elektrofahrzeuge und ihre Ladeinfrastruktur betrifft, so belief sich die Gesamtzahl der Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge laut Statistik bis Ende Mai 2024 in ganz China auf 9,92 Millionen Einheiten, was einem Anstieg von 56 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Darunter stiegen die öffentlichen Ladeeinrichtungen und die privaten Ladestationen auf 3,05 Millionen bzw. 6,87 Millionen Einheiten, mit Wachstumsraten von 46 % bzw. 61 % gegenüber dem Vorjahr. Dies bedeutet, dass China das größte Ladeinfrastrukturnetz der Welt aufgebaut hat, das das größte Servicegebiet und die größte Bandbreite an Ladearten abdeckt.

Grüne, hocheffiziente und wirtschaftliche Methode für das Recycling von LCO und ternären LIBs veröffentlicht

2023-09-16 | Jerry Huang

Anmerkung des Herausgebers: Lithium-Ionen-Batterien werden mittlerweile häufig in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeichern im Netzmaßstab verwendet. Die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wächst weiterhin deutlich. Es wird geschätzt, dass bis 2030 die weltweite Menge an verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien 11 Millionen Tonnen übersteigen wird, was zu einer enormen Verschmutzungsquelle werden wird, die die Umwelt und die öffentliche Gesundheit ernsthaft gefährden könnte. Gleichzeitig führt die wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien zu einer wachsenden Nachfrage nach Lithium und Kobalt. Andererseits beträgt der Lithium- und Kobaltgehalt in LIB-Kathoden bis zu 15 bzw. 7 Gew.-% und ist damit viel höher als in Erzen und Solen. Daher ist die Rückgewinnung von Metallelementen in verbrauchten LIB-Kathoden von großer ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Bedeutung. Derzeit gliedert sich die Rückgewinnung von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich in drei Schritte: Vorbehandlung, Metallextraktion und Metalltrennung. Bei der Erforschung und Entwicklung des Metallextraktionsschritts des Recyclingprozesses ist der hydrometallurgische Prozess aufgrund seiner hohen Metallauslaugungsrate und der zufriedenstellenden Reinheit der gewonnenen Produkte eine der praktikabelsten Optionen. Allerdings ist das Verfahren weder besonders umweltfreundlich noch sehr wirtschaftlich, da der Einsatz anorganischer Säuren gefährliche Nebenprodukte mit sich bringt; während organische Säuren zusätzliche Reduktionsmittel oder längere Reaktionszeiten und höhere Temperaturen für die Metallrückgewinnung erfordern.

Forscher des Zhong Lin Wang-Teams stellen uns eine mögliche Methode vor, die umweltfreundlich, hocheffizient und wirtschaftlich für das Recycling von LIBs ist, einschließlich Lithium-Kobaltoxid-Batterien (LCO) und ternären Lithiumbatterien.

Abstrakt

Mit dem globalen Trend zur CO2-Neutralität steigt die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) kontinuierlich. Die derzeitigen Recyclingmethoden für verbrauchte LIBs müssen jedoch im Hinblick auf Umweltfreundlichkeit, Kosten und Effizienz dringend verbessert werden. Hier schlagen wir eine mechanokatalytische Methode vor, die als Kontaktelektrokatalyse bezeichnet wird und bei der durch Kontaktelektrisierung erzeugte Radikale genutzt werden, um die Metallauslaugung unter der Ultraschallwelle zu fördern. Wir nutzen dabei auch SiO2 als recycelbaren Katalysator. Bei Lithium-Kobalt(III)-Oxid-Batterien erreichte die Auslaugungseffizienz bei 90 °C innerhalb von 6 Stunden 100 % für Lithium und 92,19 % für Kobalt. Bei ternären Lithiumbatterien erreichten die Auslaugungseffizienzen von Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt innerhalb von 6 Stunden 94,56 %, 96,62 %, 96,54 % bzw. 98,39 % bei 70 °C. Wir gehen davon aus, dass diese Methode einen umweltfreundlichen, hocheffizienten und wirtschaftlichen Ansatz für das LIB-Recycling bieten und so der exponentiell wachsenden Nachfrage nach LIB-Produktionen gerecht werden kann.

Referenz

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01348-y

Eine effiziente, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Recycling von LFP-Batterien

2023-09-16 | Jerry Huang

Anmerkung des Herausgebers: Lithium-Ionen-Batterien werden mittlerweile häufig in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeichern im Netzmaßstab verwendet. Die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wächst weiterhin deutlich. Es wird geschätzt, dass bis 2030 die weltweite Menge an verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien 11 Millionen Tonnen übersteigen wird, was zu einer enormen Verschmutzungsquelle werden wird, die die Umwelt und die öffentliche Gesundheit ernsthaft gefährden könnte. Gleichzeitig führt die wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien zu einer wachsenden Nachfrage nach Lithium und Kobalt. Andererseits beträgt der Lithium- und Kobaltgehalt in LIB-Kathoden bis zu 15 bzw. 7 Gew.-% und ist damit viel höher als in Erzen und Solen. Daher ist die Rückgewinnung von Metallelementen in verbrauchten LIB-Kathoden von großer ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Bedeutung. Derzeit gliedert sich die Rückgewinnung von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich in drei Schritte: Vorbehandlung, Metallextraktion und Metalltrennung. Bei der Erforschung und Entwicklung des Metallextraktionsschritts des Recyclingprozesses ist der hydrometallurgische Prozess aufgrund seiner hohen Metallauslaugungsrate und der zufriedenstellenden Reinheit der gewonnenen Produkte eine der praktikabelsten Optionen. Allerdings ist das Verfahren weder besonders umweltfreundlich noch sehr wirtschaftlich, da der Einsatz anorganischer Säuren gefährliche Nebenprodukte mit sich bringt; während organische Säuren zusätzliche Reduktionsmittel oder längere Reaktionszeiten und höhere Temperaturen für die Metallrückgewinnung erfordern.

Forscher des Zhong Lin Wang-Teams stellen uns eine mögliche Methode vor, die umweltfreundlich, hocheffizient und wirtschaftlich für das Recycling von LIBs, insbesondere LFP-Batterien, ist.

Abstrakt

Das Recycling von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFPs), die mehr als 32 % des weltweiten Marktanteils von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ausmachen, hat aufgrund der wertvollen Elementressourcen und Umweltbedenken große Aufmerksamkeit erregt. Moderne Recyclingtechnologien, die in der Regel auf elektrochemischen oder chemischen Auslaugungsmethoden basieren, weisen jedoch kritische Probleme wie langwierige Verfahren, enormen Chemikalien-/Stromverbrauch und Sekundärverschmutzung auf. Hier berichten wir über ein innovatives, autarkes System, das aus einem elektrochemischen LIB-Recyclingreaktor und einem triboelektrischen Nanogenerator (TENG) zum Recycling verbrauchter LFP besteht. Im elektrochemischen LIB-Recyclingreaktor wird das elektrochemisch in NaCl-Lösung erzeugte Cl-/ClO-Paar als Redoxmediator verwendet, um LFP über die Redox-Targeting-Reaktion ohne zusätzliche Chemikalien in FePO4 und Li+ aufzuspalten. Darüber hinaus soll ein TENG, das ausrangierte Komponenten von LIBs verwendet, darunter Gehäuse, Aluminium-Kunststoff-Folien und Stromabnehmer, Sekundärschadstoffe drastisch minimieren. Darüber hinaus nutzt der TENG Windenergie und liefert eine Leistung von 0,21 W für den Betrieb des elektrochemischen Recyclingsystems und das Laden von Batterien. Daher weist das vorgeschlagene System zum Recycling verbrauchter LFP eine hohe Reinheit (Li2CO3, 99,70 % und FePO4, 99,75 %), autarke Funktionen, ein vereinfachtes Behandlungsverfahren und einen hohen Gewinn auf, was die Nachhaltigkeit von LIB-Technologien fördern kann.

Referenz

http://dx.doi.org/10.1039/D3EE01156A

50C-Schnelllade-Li-Ion-Batterien mit einer Graphitanode

2022-11-01 |

Abstrakt

Lithium-Ionen-Batterien haben mit hohen Energiedichten Einzug in den Markt für Elektrofahrzeuge gehalten, leiden jedoch immer noch unter einer langsamen Kinetik, die durch die Graphitanode begrenzt ist. Hier werden Elektrolyte entwickelt, die ein extrem schnelles Laden (XFC) einer Graphitanode in Mikrogröße ohne Li-Beschichtung ermöglichen. Umfassende Charakterisierung und Simulationen zur Diffusion von Li+ im Volumenelektrolyten, zum Ladungstransferprozess und zur Festelektrolyt-Interphase (SEI) zeigen, dass eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine niedrige Desolvatationsenergie von Li+ und eine schützende SEI für XFC unerlässlich sind. Basierend auf dem Kriterium werden zwei Schnellladeelektrolyte ausgelegt: Niedervolt 1,8 m LiFSI in 1,3-Dioxolan (für LiFePO4||Graphitzellen) und Hochvolt 1,0 m LiPF6 in einer Mischung aus 4-Fluorethylencarbonat und Acetonitril (7:3 Vol.) (für LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||Graphitzellen). Mit dem erstgenannten Elektrolyt erreicht die Graphitelektrode 180 mAh g−1 bei 50 °C (1C = 370 mAh g−1), was zehnmal höher ist als bei einem herkömmlichen Elektrolyten. Letzterer Elektrolyt ermöglicht LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||Graphitzellen (2 mAh cm−2, N/P-Verhältnis = 1) eine rekordverdächtige reversible Kapazität von 170 mAh g−1 bei 4C Ladung und 0.3C Entladung bereitzustellen . Diese Arbeit enthüllt die Schlüsselmechanismen für XFC und stellt instruktive Designprinzipien für Elektrolyte für praktische Schnelllade-LIBs mit Graphitanoden bereit.

Verweise

1. https://doi.org/10.1002/adma.202206020