17 (Nanowerk-Neuigkeiten) Sie gelten als „Heiliger Gral“ der Batterieforschung: sogenannte „Solid-State-Batterien“. Sie haben keinen flüssigen Kern mehr wie heutige Batterien, sondern bestehen aus einem festen Material. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile: Unter anderem sind diese Batterien schwerer zu zünden und können auch im Miniaturmaßstab hergestellt werden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben sich nun mit dem Lebenszyklus solcher Batterien und gezielten Verfahren, die ihn verkürzen, beschäftigt. Mit ihren Erkenntnissen könnten in Zukunft langlebigere Festkörperbatterien realisiert werden. Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht in (Nature Communications veröffentlicht , „Die Entwicklung von Lithiumdendriten bei Li verstehen6.25Al0.25La3Zr2O12 Korngrenzen durch Operando-Mikroskopietechniken“).
Festkörperbatterien könnten in Zukunft viele Vorteile bieten, auch für den Einsatz in Elektroautos. (Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung) Ob E-Auto, Handy oder Akkuschrauber: Viele Geräte des täglichen Lebens nutzen heute wiederaufladbare Batterien. Allerdings hat der Trend auch seine Schattenseiten. So wurden beispielsweise bestimmte Handys für die Mitnahme in Flugzeugen verboten oder E-Autos fingen Feuer. Moderne handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien sind empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung.
Festkörperbatterien könnten in Zukunft viele Vorteile bieten, auch für den Einsatz in elektrisch betriebenen Autos. Sogenannte „Festkörperbatterien“ könnten Abhilfe schaffen. Diese enthalten keinen flüssigen Kern mehr – den sogenannten Elektrolyten – sondern bestehen vollständig aus festem Material, z Keramik Ionenleiter. Dadurch sind sie mechanisch robust, nicht brennbar, leicht zu miniaturisieren und unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Doch Festkörperbatterien zeigen nach mehreren Lade- und Entladezyklen ihre Probleme: Während Plus- und Minuspol der Batterie zu Beginn noch elektrisch voneinander getrennt sind, werden sie schließlich durch batterieinterne Prozesse elektrisch miteinander verbunden: „Lithium Dendriten“ wachsen langsam in der Batterie. Diese Lithium-Dendriten wachsen Schritt für Schritt bei jedem Ladevorgang, bis die beiden Pole verbunden sind. Die Folge: Die Batterie wird kurzgeschlossen und „stirbt“. Bisher sind die genauen physikalischen Vorgänge, die dabei ablaufen, jedoch noch nicht gut verstanden. Ein Team um Rüdiger Berger aus der Abteilung von Hans-Jürgen Butt hat sich nun dem Problem angenommen und die Vorgänge mit einem speziellen Mikroskopieverfahren genauer untersucht. Sie gingen der Frage nach, wo die Lithium-Dendriten zu wachsen beginnen. Ist es wie in einer Tropfsteinhöhle, wo Stalaktiten von der Decke und Stalagmiten vom Boden wachsen, bis sie sich in der Mitte vereinen und ein sogenanntes „Stalagnat“ bilden? Bei einer Batterie gibt es kein Oben und Unten – aber wachsen Dendriten vom Minus- zum Pluspol oder vom Plus- zum Minuspol? Oder wachsen sie gleichermaßen von beiden Polen? Oder gibt es spezielle Stellen in der Batterie, die zur Keimbildung und von dort aus zu dendritischem Wachstum führen? Das Team von Rüdiger Berger befasste sich insbesondere mit sogenannten „Korngrenzen“ im keramischen Festelektrolyten. Diese Grenzen entstehen bei der Herstellung der Festkörperschicht: Die Atome in den Kristallen der Keramik sind grundsätzlich sehr regelmäßig angeordnet. Durch kleine, zufällige Schwankungen im Kristallwachstum bilden sich jedoch linienartige Strukturen dort, wo die Atome unregelmäßig angeordnet sind – eine sogenannte „Korngrenze“. Sichtbar werden diese Korngrenzen mit ihrer Mikroskopiemethode „Kelvin Probe Force Microscopy“, bei der die Oberfläche mit einer scharfen Spitze abgetastet wird. Chao Zhu, Doktorand bei Rüdiger Berger, sagt: „Ist die Festkörperbatterie geladen, sieht die Kelvin Probe Force Microscopy, dass sich Elektronen entlang der Korngrenzen ansammeln – vor allem in der Nähe des Minuspols.“ Letzteres weist darauf hin, dass die Korngrenze nicht nur die Anordnung der Atome der Keramik verändert, sondern auch deren elektronische Struktur. Aufgrund der Ansammlung von Elektronen – dh negative Partikel – positiv geladene Lithiumionen, die sich im Festelektrolyten bewegen, können zu metallischem Lithium reduziert werden. Die Folge: Lithiumablagerungen und Lithiumdendriten bilden sich. Wird der Ladevorgang wiederholt, wächst der Dendrit weiter, bis schließlich die Pole der Batterie verbunden sind. Die Bildung solcher Anfangsstadien für Dendritenwachstum wurde nur am Minuspol beobachtet – auch nur an diesem Pol beobachtet. Am entgegengesetzten positiven Pol wurde kein Wachstum beobachtet.
Festkörperbatterien könnten in Zukunft viele Vorteile bieten, auch für den Einsatz in Elektroautos. (Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung) Ob E-Auto, Handy oder Akkuschrauber: Viele Geräte des täglichen Lebens nutzen heute wiederaufladbare Batterien. Allerdings hat der Trend auch seine Schattenseiten. So wurden beispielsweise bestimmte Handys für die Mitnahme in Flugzeugen verboten oder E-Autos fingen Feuer. Moderne handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien sind empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung.Festkörperbatterien könnten in Zukunft viele Vorteile bieten, auch für den Einsatz in elektrisch betriebenen Autos. Sogenannte „Festkörperbatterien“ könnten Abhilfe schaffen. Diese enthalten keinen flüssigen Kern mehr – den sogenannten Elektrolyten – sondern bestehen vollständig aus festem Material, z Keramik Ionenleiter. Dadurch sind sie mechanisch robust, nicht brennbar, leicht zu miniaturisieren und unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Doch Festkörperbatterien zeigen nach mehreren Lade- und Entladezyklen ihre Probleme: Während Plus- und Minuspol der Batterie zu Beginn noch elektrisch voneinander getrennt sind, werden sie schließlich durch batterieinterne Prozesse elektrisch miteinander verbunden: „Lithium Dendriten“ wachsen langsam in der Batterie. Diese Lithium-Dendriten wachsen Schritt für Schritt bei jedem Ladevorgang, bis die beiden Pole verbunden sind. Die Folge: Die Batterie wird kurzgeschlossen und „stirbt“. Bisher sind die genauen physikalischen Vorgänge, die dabei ablaufen, jedoch noch nicht gut verstanden. Ein Team um Rüdiger Berger aus der Abteilung von Hans-Jürgen Butt hat sich nun dem Problem angenommen und die Vorgänge mit einem speziellen Mikroskopieverfahren genauer untersucht. Sie gingen der Frage nach, wo die Lithium-Dendriten zu wachsen beginnen. Ist es wie in einer Tropfsteinhöhle, wo Stalaktiten von der Decke und Stalagmiten vom Boden wachsen, bis sie sich in der Mitte vereinen und ein sogenanntes „Stalagnat“ bilden? Bei einer Batterie gibt es kein Oben und Unten – aber wachsen Dendriten vom Minus- zum Pluspol oder vom Plus- zum Minuspol? Oder wachsen sie gleichermaßen von beiden Polen? Oder gibt es spezielle Stellen in der Batterie, die zur Keimbildung und von dort aus zu dendritischem Wachstum führen? Das Team von Rüdiger Berger befasste sich insbesondere mit sogenannten „Korngrenzen“ im keramischen Festelektrolyten. Diese Grenzen entstehen bei der Herstellung der Festkörperschicht: Die Atome in den Kristallen der Keramik sind grundsätzlich sehr regelmäßig angeordnet. Durch kleine, zufällige Schwankungen im Kristallwachstum bilden sich jedoch linienartige Strukturen dort, wo die Atome unregelmäßig angeordnet sind – eine sogenannte „Korngrenze“. Sichtbar werden diese Korngrenzen mit ihrer Mikroskopiemethode „Kelvin Probe Force Microscopy“, bei der die Oberfläche mit einer scharfen Spitze abgetastet wird. Chao Zhu, Doktorand bei Rüdiger Berger, sagt: „Ist die Festkörperbatterie geladen, sieht die Kelvin Probe Force Microscopy, dass sich Elektronen entlang der Korngrenzen ansammeln – vor allem in der Nähe des Minuspols.“ Letzteres weist darauf hin, dass die Korngrenze nicht nur die Anordnung der Atome der Keramik verändert, sondern auch deren elektronische Struktur. Aufgrund der Ansammlung von Elektronen – dh negative Partikel – positiv geladene Lithiumionen, die sich im Festelektrolyten bewegen, können zu metallischem Lithium reduziert werden. Die Folge: Lithiumablagerungen und Lithiumdendriten bilden sich. Wird der Ladevorgang wiederholt, wächst der Dendrit weiter, bis schließlich die Pole der Batterie verbunden sind. Die Bildung solcher Anfangsstadien für Dendritenwachstum wurde nur am Minuspol beobachtet – auch nur an diesem Pol beobachtet. Am entgegengesetzten positiven Pol wurde kein Wachstum beobachtet.
- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
- Platoblockkette. Web3-Metaverse-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
- Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62611.php
