Watt ist als nächstes dran? Eine Studie der Universität Oxford könnte "spielverändernde" Batterien für Elektrofahrzeuge und die Luftfahrt entsperren.
Forscher haben fortgeschrittene Bildgebungstechniken verwendet, um die Ursachen von Ausfällen in Lithium-Metall-Festkörperbatterien (Li-SSBs) zu verstehen, so eine Studie, die in Nature veröffentlicht wurde. Im Gegensatz zu konventionellen Batterien ersetzen Li-SSBs das brennbare flüssige Elektrolyt durch ein festes und verwenden Lithium-Metall als Anode. Dies ermöglicht eine bessere Sicherheit und mehr Energiespeicherung und könnte potenziell die Elektrofahrzeug- (EV) und Luftfahrtsektoren revolutionieren.
Forscher der Universität Oxford haben entdeckt, wie Lithium-Metall-Festkörperbatterien (Li-SSBs) versagen, was möglicherweise den Weg für verbesserte EV-Batterien ebnet. Das Team identifizierte, dass die Bildung und das Wachstum von "Dendriten" die Batterien kurzschließt. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, technologische Hürden in der Entwicklung von Festkörperbatterien zu überwinden.
Signifikant verbesserte Elektrofahrzeug (EV)-Batterien könnten dank einer neuen Studie, die am 7. Juni in Nature von Forschern der Universität Oxford veröffentlicht wurde, einen Schritt näher rücken. Durch den Einsatz fortgeschrittener Bildgebungstechniken wurden Mechanismen aufgedeckt, die dazu führen, dass Lithium-Metall-Festkörperbatterien (Li-SSBs) versagen. Wenn diese überwunden werden können, könnten Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden eine ausgeprägte Verbesserung der Reichweite, Sicherheit und Leistung von EV-Batterien liefern und dazu beitragen, die elektrisch betriebene Luftfahrt voranzutreiben.
Einer der Ko-Hauptautoren der Studie, Dominic Melvin, Doktorand im Department of Materials der Universität Oxford, sagte: "Die Fortschritte bei Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden gehören zu den wichtigsten Herausforderungen für die Weiterentwicklung von Batterietechnologien. Während sich Lithium-Ionen-Batterien von heute weiter verbessern werden, hat die Forschung an Festkörperbatterien das Potenzial, eine hochbelohnende Technologie zu sein, die das Spiel verändern könnte."
Li-SSBs unterscheiden sich von anderen Batterien dadurch, dass sie das brennbare flüssige Elektrolyt in konventionellen Batterien durch ein festes Elektrolyt ersetzen und Lithium-Metall als Anode (negative Elektrode) verwenden. Die Verwendung des festen Elektrolyten verbessert die Sicherheit und die Verwendung von Lithium-Metall bedeutet, dass mehr Energie gespeichert werden kann. Eine entscheidende Herausforderung bei Li-SSBs ist jedoch, dass sie beim Laden anfällig für einen Kurzschluss sind, weil sich "Dendriten" bilden: Filamente aus Lithium-Metall, die durch das keramische Elektrolyt brechen. Im Rahmen des SOLBAT-Projekts des Faraday-Instituts haben Forscher der Departments of Materials, Chemistry und Engineering Science der Universität Oxford eine Reihe von eingehenden Untersuchungen durchgeführt, um mehr darüber zu erfahren, wie dieser Kurzschluss entsteht.
Röntgen-Computertomographie-Bilder, die das fortschreitende Wachstum eines Risses in einem Lithium-Dendriten innerhalb einer Festkörperbatterie während des Ladevorgangs zeigen. Credit: Dominic Melvin, Nature, 2023.
In dieser neuesten Studie nutzte die Gruppe eine fortgeschrittene Bildgebungstechnik namens Röntgen-Computertomographie an der Diamond Light Source, um das Dendritenversagen während des Ladeprozesses in beispiellosem Detail zu visualisieren. Die neue Bildstudie zeigte, dass die Initiation und Propagation der Dendritenrisse separate Prozesse sind, die durch unterschiedliche zugrunde liegende Mechanismen angetrieben werden. Dendritenrisse treten auf, wenn Lithium in sub-oberflächlichen Poren angesammelt wird. Wenn die Poren voll sind, erhöht sich der Druck beim weiteren Laden der Batterie und führt zum Reißen. Im Gegensatz dazu erfolgt die Propagation nur teilweise durch das Füllen des Risses mit Lithium, durch einen Keilöffnungsmechanismus, der den Riss von hinten aufspaltet.
Dieses neue Verständnis weist den Weg, um die technologischen Herausforderungen von Li-SSBs zu überwinden. Dominic Melvin sagte: "Zum Beispiel kann Druck an der Lithium-Anode gut sein, um Lücken zu vermeiden, die sich an der Grenzfläche zum festen Elektrolyten beim Entladen entwickeln können. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass zu viel Druck nachteilig sein kann, da dies das Wachstum von Dendriten und Kurzschlüssen beim Aufladen wahrscheinlicher macht."
Sir Peter Bruce, Wolfson Chair, Professor of Materials an der Universität Oxford, Chief Scientist des Faraday-Instituts und korrespondierender Autor der Studie, sagte: "Der Prozess, bei dem ein weiches Metall wie Lithium in einen sehr dichten harten keramischen Elektrolyten eindringen kann, hat sich als herausfordernd erwiesen und viele wichtige Beiträge von hervorragenden Wissenschaftlern auf der ganzen Welt erfahren. Wir hoffen, dass die zusätzlichen Erkenntnisse, die wir gewonnen haben, dazu beitragen werden, die Fortschritte bei der Festkörperbatterieforschung hin zu einem praktischen Gerät voranzutreiben."
Laut einem kürzlich veröffentlichten Bericht des Faraday-Instituts könnten SSBs bis 2040 50% der globalen Nachfrage nach Batterien in Consumer-Elektronik, 30% in der Transportbranche und mehr als 10% in der Luftfahrt befriedigen.
Professor Pam Thomas, CEO, Faraday Institution, said: “SOLBAT researchers continue to develop a mechanistic understanding of solid-state battery failure – one hurdle that needs to be overcome before high-power batteries with commercially relevant performance could be realized for automotive applications. The project is informing strategies that cell manufacturers might use to avoid cell failure for this technology. This application-inspired research is a prime example of the type of scientific advances that the Faraday Institution was set up to drive.”
