Wenn Strom durch eine Batterie fließt, verschleißen die Materialien in der Batterie nach und nach. Dabei spielen auch physikalische Kräfte wie Stress und Belastung eine Rolle, deren genaue Auswirkungen auf die Batterieleistung und -lebensdauer jedoch nicht vollständig geklärt sind. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Forschern des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums hat einen Rahmen für die Berücksichtigung der Mechanik beim Entwurf von Festkörperbatterien (SSBs) entwickelt. Ihr in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichter Artikel untersucht, wie diese Faktoren den Zyklusprozess von Festkörperbatterien verändern.
„Unser Ziel ist es, die Bedeutung der Mechanik für die Batterieleistung hervorzuheben“, sagte Sergiy Kalnaus, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Multiphysics Modeling and Flow Group des ORNL. „Viele Studien konzentrieren sich auf chemische oder elektrische Eigenschaften, vernachlässigen jedoch die Offenlegung der zugrunde liegenden mechanischen Eigenschaften.“
Das Team umfasst mehrere Forschungsbereiche am ORNL, darunter Informatik, Chemie und Materialwissenschaften. Sie führten eine umfassende Studie über die verschiedenen Erkrankungen, die SSB beeinflussen, aus verschiedenen wissenschaftlichen Perspektiven durch, um ein zusammenhängenderes Bild zu zeichnen. „Wir versuchen, die Kluft zwischen den Disziplinen zu überbrücken“, sagte Kalnaus.
Festelektrolyte: eine sicherere und robustere Alternative
In einer Batterie fließen geladene Teilchen durch ein Material, das Elektrolyt genannt wird. Die meisten Elektrolyte sind Flüssigkeiten, wie in Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos, aber auch feste Elektrolyte werden entwickelt. Diese Leiter bestehen meist aus Glas oder Keramik, was Vorteile wie höhere Sicherheit und Festigkeit bietet.
„Echte Festkörperbatterien enthalten keine brennbaren Flüssigkeiten“, sagte Kalnaus. „Das bedeutet, dass sie weniger gefährlich sind als heute übliche Batterien.“
Allerdings befinden sich Festkörperelektrolyte aufgrund der Herausforderungen, denen sich diese neuen Materialien gegenübersehen, noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Komponenten von Festkörperbatterien dehnen sich während des Ladevorgangs und der Stoffübertragung aus und ziehen sich zusammen, wodurch sich das System verändert. Während des Batteriebetriebs verformen sich die Elektroden weiter, was zu Delamination und Hohlräumen an der Grenzfläche zum Festelektrolyten führt. „Im heutigen System besteht die beste Lösung darin, viel Druck auszuüben, um alles zusammenzuhalten.
Diese Dimensionsänderungen können Festelektrolyte beschädigen, da Festelektrolyte aus spröden Materialien bestehen. Unter Belastung und Druck brechen sie oft. Wenn diese Materialien duktiler gemacht werden könnten, könnten sie Belastungen durch Fließen statt durch Rissbildung standhalten. Dieses Verhalten wird durch eine Reihe von Techniken erreicht, die kleine kristalline Defekte in Keramikelektrolyten einführen.
Konstruierte Anoden und Festelektrolyte
Die Elektronen verlassen das System durch die Anode. Bei Festkörperbatterien kann die Anode aus reinem Lithiummetall bestehen, das die höchste Energiedichte aufweist. Während dieses Material hinsichtlich der Batterieleistung Vorteile bietet, kann es auch Spannungen erzeugen, die den Elektrolyten beschädigen können.
„Während des Ladevorgangs können eine ungleichmäßige Beschichtung und das Fehlen eines Spannungsabbaumechanismus zu Spannungskonzentrationen führen. Diese Spannungskonzentrationen können erhebliche Spannungen erzeugen, die dazu führen, dass Lithiummetall fließt“, sagte Erik Herbert, Leiter der Gruppe für mechanische Eigenschaften und Mechanik des ORNL. „Um die Leistung und Lebensdauer von Festelektrolyt-Separatoren zu optimieren, müssen wir Anoden und Festelektrolyte der nächsten Generation entwickeln, die die mechanische Stabilität der Schnittstelle aufrechterhalten können, ohne dass der Festelektrolyt-Separator kaputt geht.“
Die Arbeit des Teams ist Teil der langen Geschichte des ORNL bei der Untersuchung von SSB-Materialien. Anfang der 1990er Jahre entwickelte das Labor einen Glaselektrolyten namens Lithiumphosphoroxid (LiPON). Lithiumphosphoroxid wird häufig als Elektrolyt in Dünnschichtbatterien mit metallischen Lithiumanoden verwendet. Diese Komponente kann mehrere Lade-Entlade-Zyklen ohne Ausfall überstehen, was vor allem auf die Duktilität von LiPON zurückzuführen ist. Bei mechanischer Belastung fließt es eher, als dass es reißt.
„In den letzten Jahren haben wir gelernt, dass LiPON über starke mechanische Eigenschaften verfügt, die seine chemische und elektrochemische Haltbarkeit ergänzen“, sagte Nancy Dudney, eine ORNL-Wissenschaftlerin, die das Team leitete, das das Material entwickelt hat.
Die Bemühungen des Teams heben einen noch wenig erforschten Aspekt von SSB hervor – das Verständnis der Faktoren, die die Langlebigkeit und Wirksamkeit von SSB beeinflussen. „Die wissenschaftliche Gemeinschaft braucht einen Fahrplan“, sagte Kalnaus. In unserem Artikel geben wir einen Überblick über die Materialmechanik von Festkörperelektrolyten und ermutigen Wissenschaftler, diese Faktoren bei der Entwicklung neuer Batterien zu berücksichtigen. "
Referenz „Festkörperbatterien: Die Schlüsselrolle der Mechanik“, von Sergiy Kalnaus, Nancy J. Dudney, Andrew S. Westover, Erik Herbert und Steve Hackney, 22. September 2023, Wissenschaft.
DOI:10.1126/science.abg5998
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily