(Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben eine neue Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die mindestens 6,000 Mal geladen und entladen werden kann – mehr als jede andere Pouch-Batteriezelle – und in einem wieder aufgeladen werden kann eine Frage von Minuten. Die Forschung beschreibt nicht nur einen neuen Weg zur Herstellung von Festkörperbatterien mit einer Lithium-Metallanode, sondern bietet auch neue Erkenntnisse über die Materialien, die für diese potenziell revolutionären Batterien verwendet werden. Die Forschung ist veröffentlicht in Nature Materials („Schneller Kreislauf von Lithiummetall in Festkörperbatterien durch einschnürungsempfindliche Anodenmaterialien“). „Lithium-Metall-Anodenbatterien gelten als der heilige Gral der Batterien, weil sie die zehnfache Kapazität kommerzieller Graphitanoden haben und die Fahrstrecke von Elektrofahrzeugen drastisch verlängern könnten“, sagte Xin Li, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften am SEAS und leitender Autor von das Papier. „Unsere Forschung ist ein wichtiger Schritt hin zu praxistauglicheren Festkörperbatterien für industrielle und kommerzielle Anwendungen.“ Eine der größten Herausforderungen beim Design dieser Batterien ist die Bildung von Dendriten auf der Oberfläche der Anode. Diese Strukturen wachsen wie Wurzeln in den Elektrolyten und durchdringen die Barriere zwischen Anode und Kathode, was zu einem Kurzschluss der Batterie oder sogar zu einem Brand führt. Diese Dendriten bilden sich, wenn sich Lithiumionen während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode bewegen und sich in einem Prozess namens Plattieren an der Oberfläche der Anode festsetzen. Durch die Beschichtung der Anode entsteht eine unebene, inhomogene Oberfläche, ähnlich wie Zahnbelag, und ermöglicht die Wurzelbildung von Dendriten. Bei der Entladung muss diese plattenartige Beschichtung von der Anode entfernt werden. Wenn die Beschichtung ungleichmäßig ist, kann der Abziehvorgang langsam sein und zu Schlaglöchern führen, die bei der nächsten Ladung zu einer noch ungleichmäßigeren Beschichtung führen. Im Jahr 2021 schlugen Li und sein Team eine Möglichkeit vor, mit Dendriten umzugehen, indem sie eine mehrschichtige Batterie entwarfen, die verschiedene Materialien mit unterschiedlicher Stabilität zwischen Anode und Kathode einfügte (Natur, „Eine dynamische Stabilitätsdesignstrategie für Lithium-Metall-Festkörperbatterien“). Dieses mehrschichtige, aus mehreren Materialien bestehende Design verhinderte das Eindringen von Lithiumdendriten nicht dadurch, dass es sie vollständig stoppte, sondern indem es sie kontrollierte und eindämmte. In dieser neuen Forschung verhindern Li und sein Team die Bildung von Dendriten, indem sie mikrometergroße Siliziumpartikel in der Anode verwenden, um die Lithiierungsreaktion einzuschränken und eine homogene Plattierung einer dicken Schicht aus Lithiummetall zu ermöglichen. Wenn sich bei diesem Design Lithiumionen während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode bewegen, wird die Lithiierungsreaktion an der flachen Oberfläche eingeschränkt und die Ionen heften sich an die Oberfläche des Siliziumpartikels, dringen jedoch nicht weiter ein. Dies unterscheidet sich deutlich von der Chemie flüssiger Lithium-Ionen-Batterien, bei denen die Lithiumionen durch eine tiefe Lithiierungsreaktion eindringen und schließlich Siliziumpartikel in der Anode zerstören. Bei einer Festkörperbatterie werden die Ionen auf der Oberfläche des Siliziums jedoch eingeengt und durchlaufen den dynamischen Prozess der Lithiierung, um eine Lithiummetallbeschichtung um den Siliziumkern herum zu bilden. „In unserem Design wird Lithiummetall um die Siliziumpartikel gewickelt, wie eine harte Schokoladenschale um einen Haselnusskern in einem Schokoladentrüffel“, sagte Li. Diese beschichteten Partikel erzeugen eine homogene Oberfläche, über die sich die Stromdichte gleichmäßig verteilt und so das Wachstum von Dendriten verhindert wird. Und da das Galvanisieren und Abisolieren auf einer ebenen Oberfläche schnell erfolgen kann, kann der Akku in nur etwa 10 Minuten aufgeladen werden. Die Forscher bauten eine Briefmarken-große Pouchzellen-Version der Batterie, die 10 bis 20 Mal größer ist als die Knopfzelle, die in den meisten Universitätslabors hergestellt wird. Nach 80 Zyklen behielt der Akku 6,000 % seiner Kapazität und übertraf damit andere heute auf dem Markt erhältliche Pouch-Zellen-Akkus. Die Technologie wurde über das Harvard Office of Technology Development an Adden Energy lizenziert, ein Harvard-Spin-off-Unternehmen, das von Li und drei Harvard-Alumni mitbegründet wurde. Das Unternehmen hat die Technologie erweitert, um eine Smartphone-große Pouchzellenbatterie zu bauen. Li und sein Team charakterisierten außerdem die Eigenschaften, die es Silizium ermöglichen, die Diffusion von Lithium einzuschränken, um den dynamischen Prozess zu erleichtern, der eine homogene Beschichtung von dickem Lithium begünstigt. Anschließend definierten sie einen eindeutigen Eigenschaftsdeskriptor zur Beschreibung eines solchen Prozesses und berechneten ihn für alle bekannten anorganischen Materialien. Dabei entdeckte das Team Dutzende anderer Materialien, die möglicherweise eine ähnliche Leistung erbringen könnten. „Frühere Untersuchungen hatten ergeben, dass andere Materialien, einschließlich Silber, als gute Materialien an der Anode für Festkörperbatterien dienen könnten“, sagte Li. „Unsere Forschung erklärt einen möglichen zugrunde liegenden Mechanismus des Prozesses und bietet einen Weg zur Identifizierung neuer Materialien für das Batteriedesign.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64362.php