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Temperatur heilt Lithiumdendriten
Jul 03, 2018

Temperatur heilt Lithiumdendriten

30. März 2018, Rensselaer Polytechnic Institute

Weitere Informationen: Lu Li et al. Selbsterhitzungsinduzierte Heilung von Lithiumdendriten, Science (2018). DOI: 10.1126 / science.aap8787  

Zur Verfügung gestellt von   Rensselaer Polytechnisches Institut

 

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Lithium-Ionen-Akkus, die dominierende Batterietechnologie für tragbare Elektronikgeräte, werden zunehmend zur bevorzugten Batterie für Energiespeicheranwendungen in Elektrofahrzeugen und Stromnetzen.

 

In einem   Lithium-Ionen- Batterie, die Kathode (positive Elektrode) ist ein Lithiummetalloxid , während die Anode (negative Elektrode) Graphit ist. Forscher suchen jedoch nach Möglichkeiten, Graphit durch Lithiummetall als Anode zu ersetzen , um die Energiedichte der Batterie zu erhöhen.

 

Da die Packungsdichte von Lithiumatomen in ihrer metallischen Form am höchsten ist, können Batterien, die metallische Lithiumanoden verwenden, mehr Energie pro Gewicht oder Volumen packen als Graphitanoden. Lithiummetallanoden werden jedoch durch " Dendriten " -Aufbauten geplagt , die über wiederholte Zyklen des Ladens und Entladens stattfinden.

 

Dendrite sind verzweigungsartige Vorsprünge, die aus der Lithiummetalloberfläche heraustreten. Oft wachsen sie lang genug, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu erzeugen, was zu einer Brandgefahr führt.

 

Aber jetzt hat ein Forscherteam am Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer) einen Weg gefunden, die interne Batteriewärme zu nutzen, um die Dendriten in eine glatte Schicht zu diffundieren. Die Forscher berichteten diese Woche über ihre Ergebnisse   Wissenschaft .

 

"Wir haben herausgefunden, dass Lithium-Metall-Dendriten in situ durch die Selbsterwärmung der dendritischen Partikel geheilt werden können", sagten Nikhil Koratkar, John A. Clark und Edward T. Crossan, Professor für Ingenieurwissenschaften in Rensselaer und korrespondierender Autor des Artikels.

 

Um das Dendrite-Problem herum arbeiten

 

Eine Batterievorrichtung besteht aus zwei Elektroden - der Kathode und der Anode. Zwischen den Elektroden befindet sich eine isolierende Membran, die als Separator fungiert, um zu verhindern, dass sich die Elektroden berühren und die Batterie kurzgeschlossen wird. Der Separator ist mit einem flüssigen Elektrolyten gesättigt, der es ermöglicht, dass Ionen (geladene Atome) zwischen den Elektroden hin- und herpendeln.

 

Chemische Reaktionen erzeugen Elektrizität, wenn positiv geladene Lithiumionen von der Anode beim Entladen zur Kathode transportiert werden. Wenn die Batterie zum Wiederaufladen an eine Steckdose angeschlossen wird, geschieht das Umgekehrte: Die Lithiumionen fließen von der Kathode zurück zur Anode.

 

In einer Batterie mit einem   Lithiummetallanode , wiederholte Zyklen des Entladens und Wiederaufladens verursachen Dendritenbildung auf der Anodenoberfläche . Dieser dornige Aufbau kann schließlich den Separator durchdringen und die Kathode berühren. Wenn dies passiert, findet ein Kurzschluss statt, der eine Batterie funktionsunfähig macht oder, schlimmer noch, einen Brand verursacht.

 

Die Industrie hat das Lithium-Dendriten-Problem vermieden, indem Kohlenstoffanoden (typischerweise Graphit) verwendet wurden. Bei diesem Ansatz diffundieren Lithiumionen in die Kohlenstoffmatrix und werden darin gespeichert, wodurch jedes Lithiumatom isoliert wird, wodurch der Aufbau von Dendriten verhindert wird. Typischerweise wird ein Lithiumatom für jeweils sechs Kohlenstoffatome gespeichert, wobei das überschüssige Kohlenstoffmaterial wenig mehr als das Eigengewicht liefert.

 

"Lithium-Ionen-Batterien mit Kohlenstoff-basierten Anoden sind die beste verfügbare Option, aber sie können nicht mehr mit dem Speicherbedarf Schritt halten", sagte Koratkar. "Für wichtige neue Verbesserungen müssen wir uns woanders umsehen. Die beste Option wäre ein Lithium-Metall-System."

 

Selbsterwärmungstechnik könnte ein Game Changer sein

 

Die vorgeschlagene Lösung der Rensselaer-Forscher nutzt die interne Widerstandsheizung der Batterie, um den Dendritenaufbau zu eliminieren. Die Widerstandserwärmung (auch Joule-Heizung genannt) ist ein Prozess, bei dem ein metallisches Material dem Stromfluss widersteht und dadurch Wärme erzeugt. Diese "Selbsterwärmung" erfolgt durch den Lade- und Entladevorgang.

 

Die Forscher erhöhten den Selbsterhitzungseffekt, indem sie die Stromdichte (Lade-Entlade-Rate) der Batterie erhöhten. Der Prozess löste eine ausgedehnte Oberflächendiffusion von Lithium aus und verbreitete die Dendriten zu einer gleichmäßigen Schicht.

 

Die Forscher zeigten zuerst diese Glättung (Heilung) der Dendriten in einer Lithium-Lithium-symmetrischen Zelle. Anschließend zeigten sie den Prozess mit den gleichen Ergebnissen in einer Proof-of-Concept-Demonstration mit einer Lithium-Schwefel-Batterie.

 

Dendritenheilung würde durchgeführt werden durch   Batteriemanagement -System-Software, die eine "Selbstheilungs" -Behandlung ermöglicht, indem einige Zyklen mit hoher Lade- und Entladegeschwindigkeit ausgeführt werden, wenn ein elektronisches Gerät nicht verwendet wird.

 

"Eine begrenzte Anzahl von Zyklen bei hoher Stromdichte würde auftreten, um die Dendriten zu heilen, und dann können normale Operationen wieder aufgenommen werden", sagte Koratkar. "Eine Selbstheilung würde als Wartungsstrategie stattfinden, lange bevor die Dendriten ein Sicherheitsrisiko darstellen."

 

"Speicher mit hoher Speicherdichte sind nach wie vor eine kritische Hürde zwischen der Nutzung erneuerbarer Energien und ihrer weitverbreiteten Nutzung in allen Bereichen von Elektrofahrzeugen bis hin zu Solarhäusern", sagte Shekhar Garde, Dekan der Technik. "Die Ergebnisse von Prof. Koratkars Labor zeigen, wie das grundlegende Verständnis von Materialien im Nanobereich genutzt werden kann, um nicht nur die Energiedichte von Batterien zu erhöhen, sondern auch deren Lebensdauer zu erhöhen und sie sicherer zu machen."

 

 


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