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Studie schlägt Weg zur Verbesserung von wiederaufladbaren Lithiumbatterien vor Glatte Oberflächen können verhindern, dass schädliche Ablagerungen in einen Festelektrolyten gelangen
Mar 22, 2018

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Die meisten heutigen Lithium-Ionen-Batterien, die alles vom Auto bis zum Handy antreiben, verwenden eine Flüssigkeit als Elektrolyt zwischen zwei Elektroden. Die Verwendung eines Festelektrolyten könnte jedoch große Vorteile sowohl für die Sicherheit als auch für die Energiespeicherkapazität bieten, aber Versuche, dies zu tun, waren mit unerwarteten Herausforderungen konfrontiert.

 

Forscher berichten nun, dass das Problem möglicherweise eine falsche Interpretation des Versagens solcher Batterien ist. Die neuen Erkenntnisse, die neue Wege für die Entwicklung von Lithiumbatterien mit Festelektrolyten eröffnen könnten, sind in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials in einem Artikel von Yet-Ming Chiang, dem Kyocera Professor of Ceramics am MIT, beschrieben; W. Craig Carter, der POSCO-Professor für Materialwissenschaften und -technik am MIT; und acht andere.

 

Der Elektrolyt in einer Batterie ist das Material zwischen den positiven und negativen Elektroden - eine Art Füllung im Batteriesandwich. Wann immer die Batterie geladen oder entleert wird, durchdringen Ionen (elektrisch geladene Atome oder Moleküle) den Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen.

 

Diese flüssigen Elektrolyte können jedoch brennbar sein und sind für einige durch solche Batterien verursachte Brände verantwortlich. Sie sind auch anfällig für die Bildung von Dendriten - dünne, fingerartige Projektionen von Metall, die sich von einer Elektrode aufbauen und, wenn sie bis zur anderen Elektrode reichen, einen Kurzschluss verursachen können, der die Batterie beschädigen könnte.

 

Forscher haben versucht, diese Probleme zu umgehen, indem sie einen Elektrolyten verwendeten, der aus festen Materialien bestand, wie zum Beispiel einigen Keramiken. Dies könnte das Problem der Entflammbarkeit beseitigen und andere große Vorteile bieten, aber Tests haben gezeigt, dass solche Materialien dazu neigen, etwas unregelmäßig zu funktionieren, und anfälliger für Kurzschlüsse sind als erwartet.

 

Das Problem laut dieser Studie ist, dass Forscher sich bei ihrer Suche nach einem Festelektrolytmaterial auf die falschen Eigenschaften konzentriert haben. Die vorherrschende Idee war, dass die Festigkeit oder der Squishiness des Materials (eine Eigenschaft, die Schermodul genannt wird) bestimmt, ob Dendriten in den Elektrolyten eindringen könnten. Aber die neue Analyse zeigte, dass es auf die Glätte der Oberfläche ankommt. Mikroskopische Kerben und Kratzer auf der Oberfläche des Elektrolyts können den metallischen Ablagerungen als Einstieg dienen, um sich einzuarbeiten, fanden die Forscher.

 

Dies deutet darauf hin, sagt Chiang, dass das bloße Konzentrieren auf glattere Oberflächen das Problem der Dendritenbildung in Batterien mit einem festen Elektrolyten beseitigen oder stark reduzieren könnte. Zusätzlich zur Vermeidung des mit flüssigen Elektrolyten verbundenen Entflammbarkeitsproblems könnte dieser Ansatz auch die Verwendung einer festen Lithiummetallelektrode ermöglichen. Dies könnte die Energiekapazität einer Lithium-Ionen-Batterie verdoppeln - das heißt ihre Fähigkeit, Energie für ein bestimmtes Gewicht zu speichern, was sowohl für Fahrzeuge als auch für tragbare Geräte entscheidend ist.

 

"Die Bildung von Dendriten, die zu Kurzschlussausfällen führen können, war der Hauptgrund dafür, dass Lithium-Metall-Akkus nicht möglich waren", erklärt Chiang. (Lithium-Metall-Elektroden werden üblicherweise in nicht wiederaufladbaren Batterien verwendet, da Dendriten sich nur während des Ladevorgangs bilden.)

Das Problem der Dendritenbildung in Lithium-Akkumulatoren wurde erstmals in den frühen 1970er Jahren erkannt, sagt Chiang. "Und 45 Jahre später ist dieses Problem immer noch nicht gelöst. Aber das Ziel ist immer noch verlockend, "wegen der Möglichkeit, die Kapazität einer Batterie durch Verwendung von Lithium-Metall-Elektroden zu verdoppeln.

 

In den letzten Jahren haben einige Gruppen versucht, Festelektrolyte zu entwickeln, um die Verwendung von Lithiummetallelektroden zu ermöglichen. Es gibt zwei Haupttypen, an denen gearbeitet wird, sagt Chiang: Lithiumphosphorsulfide und Metalloxide. Bei all diesen Forschungsanstrengungen war einer der vorherrschenden Gedanken, dass das Material steif und nicht elastisch sein musste. Diese Materialien zeigten jedoch in Labortests tendenziell inkonsistente und verwirrende Ergebnisse.

 

Die Idee machte Sinn, sagt Chiang - ein steiferes Material sollte resistenter gegen etwas sein, das versucht, in seine Oberfläche zu drücken. Aber die neue Arbeit, in der das Team Proben von vier verschiedenen Sorten von möglichen Festelektrolytmaterialien testete und die Details ihrer Durchführung während der Lade- und Entladezyklen beobachtete, zeigte, dass die Art und Weise, wie sich Dendriten tatsächlich in steifen festen Materialien bilden, einem völlig anderen Prozess folgt als diejenigen, die sich in flüssigen Elektrolyten bilden.

 

Auf den festen Oberflächen beginnt Lithium von einer der Elektroden durch eine elektrochemische Reaktion auf irgendeinen kleinen Defekt aufzutreten, der auf der Oberfläche des Elektrolyten existiert, einschließlich winziger Vertiefungen, Rissen und Kratzern. Sobald sich die anfängliche Ablagerung auf einem solchen Defekt gebildet hat, baut sie sich weiter ab - und überraschenderweise erstreckt sich der Aufbau von der Spitze des Dendriten und nicht von seiner Basis, während er sich in den Körper drängt und dabei wie ein Keil wirkt ein immer breiterer Riss.

 

Diese Materialien sind "sehr empfindlich auf die Anzahl und Größe der Oberflächenfehler, nicht auf die Bulk-Eigenschaften" des Materials, sagt Chiang. "Es ist die Rissausbreitung, die zum Versagen führt. ... Es sagt uns, dass wir uns mehr auf die Qualität der Oberflächen konzentrieren sollten, darauf, wie glatt und fehlerfrei wir diese Festelektrolytfilme herstellen können. "

 

"Ich glaube, dass diese qualitativ hochwertigen und neuartigen Arbeiten das Denken darüber, wie man praktische Lithium-Metall-Festkörperbatterien entwickeln wird, zurücknehmen werden", sagt Alan Luntz, ein beratender Professor für Metall-Luft-Batterie-Forschung an der Stanford University, der nicht beteiligt war diese Forschung. "Die Autoren haben gezeigt, dass bei Lithium-Festkörperbatterien ein anderer Mechanismus für den Lithiummetallkurzschluss verantwortlich ist als bei flüssigen oder polymeren Lithiummetallbatterien, bei denen Dendriten entstehen. ... Dies bedeutet, dass, wenn Lithium-Metall-Festkörperbatterien jemals praktische Stromdichten haben sollen, eine sorgfältige Minimierung aller strukturellen Defekte an der Lithiummetall- und Elektrolytgrenzfläche essentiell ist ", sagt er.

 

Luntz fügt hinzu: "Ich halte es für einen äußerst wichtigen Beitrag zum Ziel, praktische und sichere Festkörperbatterien zu entwickeln."

 

Das Forschungsteam bestand aus Lukas Porz, Tushar Swamy, Daniel Rettenwander und Harry Thomas am MIT; Stefan Berendts an der Technischen Universität Berlin; Reinhard Uecker am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin; Brian Sheldon an der Brown University; und Till Fromling an der Technischen Universität Darmstadt.