Bau von leistungsfähigeren Batterien mit neuem Elektrodendesign möglich

16. March 2020
Bau von leistungsfähigeren Batterien mit neuem Elektrodendesign möglich

Ein neues Batteriekonzept könnte zu sicheren Festkörperbatterien führen. Die Idee basiert auf dem seit langem verfolgten Ziel, reines Lithiummetall als eine der beiden Elektroden der Batterie, die Anode, zu verwenden. Ein Elektrolyt sorgt dafür, dass die Lithiumionen während der Lade- und Entladezyklen der Batterie hin- und herwandern können. In Verbindung mit neuen Konzepten für leichte Versionen der anderen Kathode könnte diese Arbeit das Gesamtgewicht von Lithium-Ionen-Batterien verringern. Das Team hofft zum Beispiel auf Mobiltelefone, die nur einmal alle drei Tage aufgeladen werden müssen, ohne dass die Geräte schwerer oder unhandlicher werden. "In unserem Fall", sagt Ju Li, "ist wirklich alles fest. Es gibt keine Flüssigkeit oder Gel in irgendeiner Form.

Das neue System könnte auch zu sichereren Anoden führen, die nur ein Viertel so viel wiegen wie ihre konventionellen Gegenstücke in der Batterie - schwerer als ihre herkömmlichen Gegenstücke für die gleiche Menge an Batteriespeicherkapazität für Handys.


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Neue Forschungsergebnisse könnten zu Batterien führen, die mehr Leistung pro Pfund und eine längere Lebensdauer haben, basierend auf dem lang ersehnten Ziel, reines Lithiummetall als eine der beiden Elektroden der Batterie, die Anode, zu verwenden.

Das neue Elektrodenkonzept stammt aus dem Labor von Ju Li, dem Battelle Energy Alliance Professor of Nuclear Science and Engineering und Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. Es wird in der Fachzeitschrift Nature in einer Arbeit beschrieben, die von Yuming Chen und Ziqiang Wang am MIT zusammen mit 11 anderen am MIT und in Hongkong, Florida und Texas verfasst wurde.

Das Design ist Teil eines Konzepts für die Entwicklung sicherer Festkörperbatterien, die ohne die Flüssigkeit oder das Polymergel auskommen, die normalerweise als Elektrolytmaterial zwischen den beiden Elektroden der Batterie verwendet werden. Ein Elektrolyt ermöglicht es den Lithium-Ionen, während der Lade- und Entladezyklen der Batterie hin und her zu wandern, und eine vollständig feste Version könnte sicherer sein als flüssige Elektrolyte, die eine hohe Flüchtigkeit aufweisen und die Quelle von Explosionen in Lithium-Batterien waren, berichtet Phys.

"Es wurde viel an Festkörperbatterien gearbeitet, mit Lithium-Metall-Elektroden und festen Elektrolyten", sagt Li, aber diese Bemühungen waren mit einer Reihe von Problemen konfrontiert.

Eines der größten Probleme ist, dass sich beim Aufladen der Batterie Atome im Inneren des Lithiummetalls ansammeln, wodurch es sich ausdehnt. Beim Entladen schrumpft das Metall dann wieder, wenn die Batterie benutzt wird. Diese wiederholten Dimensionsänderungen des Metalls, ähnlich dem Prozess des Ein- und Ausatmens, machen es für die Festkörper schwierig, einen konstanten Kontakt aufrechtzuerhalten, und neigen dazu, dass der Festelektrolyt bricht oder sich ablöst.

Ein weiteres Problem ist, dass keiner der vorgeschlagenen Festelektrolyte wirklich chemisch stabil ist, während er in Kontakt mit dem hochreaktiven Lithiummetall steht, und sie neigen dazu, sich mit der Zeit zu zersetzen.

Die meisten Versuche, diese Probleme zu überwinden, konzentrierten sich auf die Entwicklung von Festelektrolytmaterialien, die gegenüber dem Lithiummetall absolut stabil sind, was sich als schwierig erweist. Stattdessen wählten Li und sein Team ein ungewöhnliches Design, das zwei zusätzliche Klassen von Festkörpern nutzt, "gemischte ionisch-elektronische Leiter" (MIEC) und "Elektronen- und Li-Ionen-Isolatoren" (ELI), die im Kontakt mit Lithiummetall absolut chemisch stabil sind.

Die Forscher entwickelten eine dreidimensionale Nanoarchitektur in Form einer wabenartigen Anordnung von sechseckigen MIEC-Röhren, die teilweise mit dem festen Lithium-Metall infundiert sind, um eine Elektrode der Batterie zu bilden, wobei jedoch im Inneren jeder Röhre zusätzlicher Raum verbleibt. Wenn sich das Lithium während des Ladevorgangs ausdehnt, fließt es in den leeren Raum im Inneren der Röhren und bewegt sich wie eine Flüssigkeit, obwohl es seine feste kristalline Struktur beibehält. Dieser Fluss, der vollständig in der Wabenstruktur eingeschlossen ist, entlastet den Druck, der durch die Ausdehnung beim Aufladen entsteht, ohne jedoch die äußeren Abmessungen der Elektrode oder die Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt zu verändern. Das andere Material, das ELI, dient als wichtiges mechanisches Bindemittel zwischen den MIEC-Wänden und der festen Elektrolytschicht.

"Wir haben diese Struktur entworfen, die uns dreidimensionale Elektroden gibt, wie eine Bienenwabe", sagt Li. Die Hohlräume in jeder Röhre der Struktur erlauben es dem Lithium, in die Röhren "zurück zu kriechen", "und auf diese Weise baut es keinen Stress auf, der den Festelektrolyten sprengen könnte." Das sich ausdehnende und zusammenziehende Lithium in diesen Röhren bewegt sich hinein und heraus, ähnlich wie die Kolben eines Automotors in ihren Zylindern. Da diese Strukturen im Nanomaßstab aufgebaut sind (die Röhren haben einen Durchmesser von 100 bis 300 Nanometern und eine Höhe von einigen zehn Mikrometern), ist das Ergebnis wie ein Motor mit 10 Milliarden Kolben, mit Lithiummetall als Arbeitsmedium", sagt Li.

Da die Wände dieser wabenartigen Strukturen aus chemisch stabilem MIEC bestehen, verliert das Lithium nie den elektrischen Kontakt mit dem Material, sagt Li. So kann die gesamte Feststoffbatterie mechanisch und chemisch stabil bleiben, während sie ihre Einsatzzyklen durchläuft. Das Team hat das Konzept experimentell nachgewiesen, indem es ein Testgerät 100 Lade- und Entladezyklen unterzog, ohne dass es zu einem Bruch der Festkörper kam.

Li sagt, dass, obwohl viele andere Gruppen an so genannten Feststoffbatterien arbeiten, die meisten dieser Systeme tatsächlich besser mit einem flüssigen Elektrolyt funktionieren, der mit dem festen Elektrolytmaterial gemischt ist. "Aber in unserem Fall", sagt er, "ist es wirklich alles fest. Es gibt keine Flüssigkeit oder Gel in irgendeiner Form."

Das neue System könnte zu sicheren Anoden führen, die bei gleicher Speicherkapazitätnur ein Viertel so viel wiegen wie ihre herkömmlichen Gegenstücke in Lithium-Ionen-Batterien. Kombiniert mit neuen Konzepten für Leichtbauversionen der anderen Elektrode, der Kathode, könnte diese Arbeit zu einer erheblichen Reduzierung des Gesamtgewichts von Lithium-Ionen-Batterien führen. Das Team hofft, dass dies beispielsweise zu Mobiltelefonen führen könnte, die nur einmal alle drei Tage aufgeladen werden müssen, ohne dass die Telefone schwerer oder unhandlicher werden.

Ein neues Konzept für eine leichtere Kathode wurde von einem anderen Team unter der Leitung von Li in einem Artikelbeschrieben, der letzten Monat in der Zeitschrift Nature Energy erschien und von MIT Postdoc Zhi Zhu und Doktorand Daiwei Yu mitverfasst wurde. Das Material würde die Verwendung von Nickel und Kobalt reduzieren, die teuer und giftig sind und in heutigen Kathoden verwendet werden. Die neue Kathode verlässt sich nicht nur auf den Kapazitätsbeitrag dieser Übergangsmetalle beim Batteriewechsel. Stattdessen würde sie sich mehr auf die Redox-Kapazität von Sauerstoff verlassen, der viel leichter und häufiger vorhanden ist. Dabei werden die Sauerstoff-Ionen aber mobiler, was dazu führen kann, dass sie aus den Kathodenpartikeln entweichen. Durch eine Hochtemperatur-Oberflächenbehandlung mit geschmolzenem Salz erzeugten die Forscher eine schützende Oberflächenschicht auf Partikeln aus mangan- und lithiumreichem Metalloxid, so dass der Sauerstoffverlust drastisch reduziert wird.

Obwohl die Oberflächenschicht sehr dünn ist, nur 5 bis 20 Nanometer dick auf einem 400 Nanometer breiten Partikel, bietet sie einen guten Schutz für das darunterliegende Material. "Es ist fast wie eine Immunisierung", sagt Li, gegen die zerstörerischen Auswirkungen von Sauerstoffverlust in Batterien, die bei Raumtemperatur eingesetzt werden. Die jetzigen Versionen bieten eine mindestens 50-prozentige Verbesserung der Energiemenge, die für ein gegebenes Gewicht gespeichert werden kann, mit einer viel besseren Zyklenstabilität.

Das Team hat bisher nur kleine Geräte im Labormaßstab gebaut, aber "ich erwarte, dass dies sehr schnell skaliert werden kann", sagt Li. Die benötigten Materialien, vor allem Mangan, sind deutlich billiger als das bei anderen Systemen verwendete Nickel oder Kobalt, so dass diese Kathoden nur ein Fünftel so viel kosten könnten wie die herkömmlichen Versionen.

 

Autor: Tasnim News

Bildnachweis: Pixabay

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