Eine Strategie zur Gestaltung einer Lithium-Anodenzwischenschicht für Lithium-Metall-Batterien mit fester Elektrolytschicht.

Feature vom 3. Februar 2024

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

In den letzten Jahrzehnten haben Ingenieure und Chemiker daran gearbeitet, immer fortschrittlichere Batterietechnologien zu entwickeln, die dazu beitragen könnten, den steigenden Anforderungen der Elektronikindustrie gerecht zu werden. Dies hat zur Entstehung neuer Batterietypen geführt, darunter auch Festkörperbatterien.

All-Solid-State-Batterien (ASSBs) sind Batteriezellen, die einen festen Elektrolyten enthalten, der sich zwischen zwei Elektroden befindet. Diese Batterien, insbesondere All-Solid-State-Lithium-Metall-Batterien (ASSLBs), können eine hohe Energiedichte und größere Sicherheit aufweisen und einige der Einschränkungen herkömmlicher Lithium-Ionen-Batteriedesigns (LiB) beseitigen.

Trotz ihrer vorteilhaften Eigenschaften wurden ASSLBs noch nicht in großem Maßstab eingesetzt. Dies liegt zum Teil daran, dass das Wachstum von Li-Dendriten und ihr hoher Grenzflächenwiderstand ihre Leistung erheblich beeinträchtigen können.

Forscher der University of Maryland haben kürzlich ein neues Prinzip für die Entwicklung sicherer und energiereicher ASSLBs eingeführt. Dieses in Nature Energy beschriebene Prinzip könnte dazu beitragen, leistungsfähigere und zuverlässigere Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge und große Robotersysteme zu entwickeln.

„Derzeitige Bemühungen, das Lithium-Dendriten-Problem von Festkörperbatterien anzugehen, basieren auf Versuch-und-Irrtum-Experimenten“, sagte Zeyi Wang, Erstautor des Artikels, gegenüber Tech Xplore. „Anstatt nur über eine einzelne Zwischenschicht zu berichten, zielt dieser Artikel darauf ab, ein Interface-Design-Prinzip zu entwickeln, das die Herstellung einer Reihe von Zwischenschichten leiten kann.“ Dies ist eine Möglichkeit, das Lithium-Dendriten-Problem in Festkörperbatterien vollständig zu lösen.“

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Wang und seinen Kollegen bestand darin, eine vielversprechende Strategie zur Eindämmung des Li-Dendritenwachstums in ASSLBs zu identifizieren. Um dies zu erreichen, schlug das Team die Einführung einer speziellen Schicht zwischen der Lithiumanode und dem Festelektrolyten in Batteriezellen vor.

„Das Hinzufügen einer speziellen Schicht zwischen der Lithiumanode und dem Festelektrolyten kann möglicherweise das Problem der Lithiumdendriten lösen, aber die Eigenschaften der Zwischenschicht sind von entscheidender Bedeutung, um dies zu erreichen“, erklärte Wang. „Unser Designprinzip verknüpft die Batteriestabilität mit mehreren Schlüsseleigenschaften der Zwischenschicht.“ Insbesondere wird hervorgehoben, dass die Zwischenschicht lithiophob (d. h. von Lithiummetall abgestoßen), stark ionisch leitend und leicht elektronisch leitend sowie porös sein sollte.

Im Rahmen ihrer Studie nutzten die Forscher ihr Designprinzip, um eine Li4SiO4@LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2/Li6PS5Cl/20 µm-Li-Batteriezelle mit einer Flächenkapazität von 2,2 mAh cm-2 zu erstellen. In ersten Tests wurde festgestellt, dass diese Batteriezellen eine bemerkenswert gute Leistung erbringen und nach 350 Betriebszyklen bei 60 °C und einer Rate von 0,5 °C 82,4 % ihrer Kapazität behalten.

„Während frühere Studien viele Schnittstellen zur Unterdrückung von Lithiumdendriten eingeführt haben, wurde der zugrunde liegende Mechanismus nicht klar erklärt und das Design kann nicht verallgemeinert werden“, sagte Wang. „Der Erfolg unseres Designprinzips besteht darin, dass es neue Möglichkeiten zur Entwicklung sicherer Batterien eröffnet.“

Bemerkenswert ist, dass das von Wang und seinen Kollegen eingeführte Designprinzip auf eine Vielzahl von ASSBs angewendet werden konnte, um die Bildung von Li-Dendriten zu unterdrücken und so die Batterieleistung zu verbessern. Daher könnte es bald den Weg für die Entwicklung einer breiten Palette sicherer und leistungsstarker Batterietechnologien mit Festelektrolyten ebnen, die Elektrofahrzeuge und andere große Elektronikgeräte antreiben könnten.

„In unseren nächsten Studien werden wir weitere Schnittstellen testen, um das Designprinzip zu modifizieren und zu überprüfen“, fügte Wang hinzu. „Wir werden dann die Materialien der Schnittstelle nach Designprinzipien optimieren.“ „Wir planen, das Gerät für die Fertigung zu skalieren und es schließlich in Zukunft in Fahrzeugen zu testen.“

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