Zusammenfassung:
Chinesische Forscher haben eine dünne Schutzschicht für Lithium-Metallanoden entwickelt, die voraussichtlich wichtige technische Probleme lösen wird, mit denen Festkörperbatterien noch lange konfrontiert sind. In Labortests behielten mit dieser Beschichtung behandelte Batterien nach 300 Lade-Entlade-Zyklen 82,3 % ihrer ursprünglichen Kapazität; Im Vergleich dazu behielt eine Kontrollbatterie mit unbehandeltem Lithiummetall eine Kapazitätserhaltungsrate von nur 43,0 % bei.
Diese Forschung wurde vom wissenschaftlichen Forschungsteam der Xi'an University of Electronic Science and Technology abgeschlossen und die Ergebnisse wurden in „Science China Chemistry“ veröffentlicht. Forscher nutzen eine einfache flüssige chemische Behandlung, um eine Schutzschicht auf der Oberfläche von Lithiummetall zu bilden, und liefern so neue Ideen zur Verbesserung der Stabilität und Lebensdauer von Batterien der nächsten Generation.
Lithiummetall gilt als wichtiges Kandidatenmaterial für Batterien mit hoher Energiedichte und wird im Bereich der Energiespeicherung sogar als „Heiliger Gral“ bezeichnet. Theoretisch kann Lithiummetall fast zehnmal so viel Strom pro Gramm der negativen Graphitelektrode speichern, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Wenn dieser Vorteil voll ausgenutzt werden kann, wird erwartet, dass zukünftige Batterien bei gleichem Gewicht mehr Energie speichern, wodurch das Gewicht des Batteriepakets reduziert wird und die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht wird.
Lithiummetall neigt jedoch zu einer ungleichmäßigen Ablagerung während des Lade- und Entladevorgangs und bildet scharfe Strukturen, sogenannte Lithiumdendriten. Diese Dendriten können weiter wachsen und schließlich die innere Struktur der Batterie durchdringen, was zu Kurzschlüssen und Sicherheitsrisiken führt. Gleichzeitig gibt es auch Probleme mit der chemischen Stabilität zwischen Lithiummetall und Sulfid-Festelektrolyten, und Grenzflächenreaktionen beeinträchtigen die Batterieleistung und die Lebensdauer. Diese Probleme waren schon immer ein großes Hindernis für die praktische Anwendung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien.
Um dieses Problem zu lösen, kombinierte ein Team mit Forschern wie Li Siwu, Wu Weiwei und Yu Chuang ein Polymer auf Siliziumbasis mit Indiumchlorid, um einen flüssigen Vorläufer zu schaffen, der direkt auf die Oberfläche von Lithiummetall aufgetragen werden kann. Nach der Reaktion des Beschichtungsmaterials mit Lithium bildet sich in situ auf der Oberfläche ein zusammengesetzter Schutzfilm mit einer Dicke von nur etwa 12 Mikrometern, der Komponenten wie Lithiumfluorid und Lithium-Indium-Legierungs-Nanopartikel enthält.
Dieser Schutzfilm isoliert Lithiummetall nicht einfach von der Außenwelt, sondern verbessert durch die Synergie verschiedener Materialien den Lithiumionenablagerungsprozess im Inneren der Batterie. Das Polymerskelett weist ein gewisses Maß an Flexibilität auf und kann sich an die mechanische Belastung anpassen, die durch die wiederholte Ausdehnung und Kontraktion von Lithiummetall beim Laden und Entladen entsteht. Lithiumfluorid kann Elektronen blockieren und die Keimbildung und das Wachstum von Lithiumdendriten hemmen; Nanopartikel aus einer Lithium-Indium-Legierung tragen dazu bei, die gleichmäßige Ablagerung von Lithiumionen zu steuern und die konzentrierte Ansammlung von Lithium zu vermeiden, die gefährliche scharfe Strukturen bilden kann.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die kritische Stromdichte der beschichteten Lithiummetallelektrode 3,5 Milliampere pro Quadratzentimeter erreicht, was mehr als das Vierfache der unbehandelten Elektrode von 0,8 Milliampere pro Quadratzentimeter ist. Die kritische Stromdichte ist ein wichtiger Indikator für die Fähigkeit der Batterie, ungleichmäßiger Lithiumablagerung und Dendritenwachstum zu widerstehen. Eine Erhöhung des Werts bedeutet, dass erwartet wird, dass die Batterie bei höheren Stromdichten einen stabilen Betrieb aufrechterhält.
Diese Schutzelektrode brachten die Forscher dann an einer kompletten Batterie an. Die Testbatterie verwendet eine positive Nickel-Kobalt-Manganoxid-Elektrode und einen Sulfid-Festelektrolyten. Die Anfangskapazität erreicht 129,8 mAh pro Gramm bei 0,5 °C. Nach 300 Lade-Entlade-Zyklen hatte der Akku immer noch 82,3 % seiner ursprünglichen Kapazität. Im Gegensatz dazu beträgt die Kapazitätserhaltungsrate bei Verwendung ungeschützter Lithiummetallelektroden nur 43,0 %, und die Lücke zwischen beiden ist sehr offensichtlich.
Spektralanalyse und elektronenmikroskopische Beobachtung bestätigten die Zusammensetzung und Struktur der Schutzschicht weiter. Die Forscher fanden heraus, dass die Beschichtung einen relativ dichten und gleichmäßigen Film bildete und keine offensichtlichen Risse oder Hohlräume beobachtet wurden, was auch auf struktureller Ebene den Beweis lieferte, dass sie die Grenzfläche zwischen Lithiummetall und Festelektrolyt kontinuierlich schützen kann.
Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal dieser Technologie ist ihre potenzielle industrielle Anpassungsfähigkeit. Im Gegensatz zu einigen Technologien zur Modifikation von Elektrodenoberflächen, die komplexe Vakuumbehandlungsprozesse erfordern, wird dieser Schutzfilm durch direktes Beschichten mit einem flüssigen Vorläufer und Reaktion auf der Lithiummetalloberfläche gebildet. Theoretisch besteht die Möglichkeit, vorhandene industrielle Beschichtungsanlagen für die Produktion zu nutzen und so die Komplexität und Kosten des Herstellungsprozesses zu reduzieren.
Das Forschungsteam plant außerdem, den Ersatz von Indium durch Zinn, Zink und andere Elemente zu untersuchen, um die Materialformel weiter zu optimieren. Indium ist ein relativ knappes und teures Metall. Wenn alternative Materialien mit ähnlicher Leistung und geringeren Kosten gefunden werden können, wird dies dazu beitragen, die Wirtschaftlichkeit einer groß angelegten Anwendung dieser Technologie in Zukunft zu verbessern.
Diese Errungenschaft befindet sich jedoch noch im Laborforschungsstadium. Die im Experiment erzielte Verbesserung der Zyklenleistung bedeutet nicht, dass die entsprechenden Batterien für die Kommerzialisierung bereit sind. In Zukunft ist es notwendig, die Leistung unter längeren Zykluszeiten, größeren Batteriekapazitäten, unterschiedlichen Temperaturumgebungen und tatsächlichen Produktionsbedingungen weiter zu überprüfen und gleichzeitig Probleme wie Materialkosten, Fertigungskonsistenz und langfristige Schnittstellenstabilität zu lösen.
Die Forscher glauben, dass diese vor Ort gebildete Verbundschutzschicht einen relativ einfachen technischen Weg zur Stabilisierung von Lithiummetallanoden darstellt. Wenn nachfolgende Forschungen ihre Zuverlässigkeit in tatsächlichen Batterien nachweisen und eine kostengünstige Produktion in großem Maßstab ermöglichen können, könnten Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte einen Schritt näher an Elektrofahrzeuge und groß angelegte Energiespeicher heranrücken.
Kommentare