Energiespeicherung revolutionieren: Festkörper-Lithiumbatterien bieten Sicherheit, Kapazität und Geschwindigkeit

Andrew Corselli

Künstlerische Darstellung einer atomar dünnen Silberbeschichtung und einiger Silberatome unter der Oberfläche, die die Kristallstruktur eines Festelektrolyten vor mechanischem Druck schützen. (Bild: Chaoyang Zhao)

Ein fester – statt flüssiger – Elektrolyt zwischen den gegenüberliegenden Elektroden einer Batterie sollte theoretisch eine wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterie ermöglichen, die sicherer ist, deutlich mehr Energie speichert und deutlich schneller lädt als die heute kommerziell verfügbaren Li-Ionen-Batterien. Seit Jahrzehnten erforschen Wissenschaftler und Ingenieure mehrere Wege, das große Versprechen von Lithium-Metall-Batterien zu verwirklichen. Ein Hauptproblem der untersuchten festen, kristallinen Elektrolyte war die Bildung mikroskopischer Risse, die während des Gebrauchs wachsen, bis die Batterie versagt.

Stanford-Forscher, die auf Ergebnissen aufbauen, die sie vor drei Jahren veröffentlichten und die identifizierten, wie sich diese winzigen Unvollkommenheiten bilden und ausdehnen, haben entdeckt, dass das Anlassen einer extrem dünnen Silberbeschichtung auf der Oberfläche des Festelektrolyts das Problem weitgehend löst. Wie in Nature Materials berichtet, macht diese Beschichtung die Elektrolytoberfläche fünffach bruchfester gegen mechanischen Druck. Sie macht auch bestehende Unvollkommenheiten viel weniger anfällig für Lithium-Eindringen, besonders während schnellen Ladens, das Nano-Risse in Nano-Spalten verwandelt und die Batterie schließlich unbrauchbar macht.

„Der Festelektrolyt, an dem wir und andere arbeiten, ist eine Art Keramik, die Li-Ionen leicht hin- und herschütteln lässt, aber spröde ist“, sagte Senior-Autorin Wendy Gu, Associate Professor, Mechanical Engineering. „Auf unglaublich kleiner Skala ist es nicht unähnlich den Keramiktellern oder -schüsseln zu Hause, die winzige Risse auf ihren Oberflächen haben.“

„Eine echte Feststoffbatterie besteht aus gestapelten Kathode-Elektrolyt-Anode-Schichten. Diese ohne auch nur die kleinsten Unvollkommenheiten herzustellen, wäre nahezu unmöglich und sehr teuer“, sagte Gu. „Wir entschieden, dass eine Schutzschicht realistischer sein könnte, und schon ein bisschen Silber scheint einen ziemlich guten Job zu machen.“

Frühere Forschungen anderer Wissenschaftler untersuchten die Verwendung von metallischen Ag-Beschichtungen auf dem gleichen Festelektrolytmaterial – bekannt als „LLZO“ wegen seines Mix aus Lithium, Lanthan und Zirconiumatomen sowie Sauerstoff – mit dem die aktuelle Studie arbeitete. Während frühere Studien metallisches Silber zur Verbesserung der Batterieleistung nutzten, verwendete die neue Studie eine gelöste Form von Silber, das ein Elektron verloren hat (Ag⁺). Dieses geladene, gelöste Silber – im Gegensatz zu metallischem, festem Silber – ist direkt verantwortlich für die Härtung der Keramik gegen Rissbildung.

Die Forscher deponierten eine 3-Nanometer-dicke Silberschicht auf LLZO-Oberflächen und erhitzten die Proben auf bis zu 300 °C (572 °F). Während des Erhitzens diffundierten die Silberatome in die Elektrolytoberfläche, tauschten Plätze mit den viel kleineren Lithiumatomen in einer Tiefe von 20 bis 50 Nanometern. Das Silber blieb als positiv geladene Ionen statt als metallisches Silber, was die Wissenschaftler als Schlüssel zur Verhinderung von Rissbildung ansehen. Wo Unvollkommenheiten existieren, verhindert die Präsenz einiger positiver Silberionen auch, dass Lithium eindringt und zerstörerische Verzweigungen im Elektrolyten wachsen lässt.

„Unsere Studie zeigt, dass nanoskaliges Silber-Doping die Art und Weise grundlegend verändern kann, wie Risse an der Elektrolytoberfläche initiieren und propagieren, und langlebige, ausfallsichere Festelektrolyte für nächste Generation Energiespeichertechnologien produziert“, sagte der damalige Forschungsleiter Xin Xu, jetzt Assistant Professor, Engineering, Arizona State University.

Hier ist ein exklusives Tech Briefs-Interview, redigiert für Länge und Klarheit, mit Xu.

Tech Briefs: Was war die größte technische Herausforderung beim Anlassen der Beschichtung?

Xu: Bevor ich antworte, möchte ich klarstellen: Wir sind definitiv nicht die erste Gruppe, die an Silber denkt. Silberbeschichtungen werden seit einigen Jahren in Feststoffbatterien verwendet, meist als Zwischenschicht zwischen Lithiummetall und Festelektrolyt. Offensichtlich funktionieren sie gut. Aber wir gingen mit einer leicht anderen Idee heran. Wir dachten an Silber als magisches Element. Es ist groß und hoch polarisierbar.

Das bedeutet, die Silberarme sind so flexibel, dass sie Materialien in Orte quetschen können, wo kleine Ionen nicht hinkommen. Unsere Hypothese ist sehr einfach: Wenn Silber in den Elektrolyten diffundieren oder quetschen könnte, könnte es Kompressionsspannung erzeugen und das Material tatsächlich zäher machen. Das würde das Material widerstandsfähiger gegen Risse machen.

Als wir diese Idee zum ersten Mal hatten, dachten wir: „Wie schwer kann das sein? Einfach Silber dort hinlegen.“ Es stellte sich als so, so schwer heraus. Die größte technische Herausforderung war: Festelektrolyte sind extrem empfindlich gegenüber Luft. Feuchtigkeit reagiert mit CO₂, und das bildet auch eine Kontaminationsschicht auf der Oberfläche. Selbst im Labor passiert das so leicht. Einmal bildet sich diese Kontamination auf der Elektrolytoberfläche, kann Silber nicht tun, was wir wollen.

Wir erkannten schließlich, dass die Oberflächensauberkeit einfach alles war. Wenn wir also eine ultra-saubere Oberfläche schaffen, konnte das Silber in das Elektrolytmaterial diffundieren und die Kompressionsspannung erzeugen, auf die wir zielten. Ab dann wurden wir besessen von Laborumgebungskontrolle. Wir begannen bei der Probenvorbereitung, von der Beschichtungscharakterisierung bis zum Test. Jeder Schritt, alles wurde in streng kontrollierten luftfreien Bedingungen durchgeführt. Wir entwarfen sogar ein sehr einzigartiges, individuelles, luftfreies Transfergefäß nur für dieses Projekt. Wir verkaufen das sogar auf Amazon. Sobald wir das taten, waren die Ergebnisse sehr klar. Sehr aufregend.

Tech Briefs: Haben Sie Pläne für zukünftige Arbeit?

Xu: Wir haben mehrere Dinge für die nächsten Schritte im Sinn. Erstens, und ich denke, das ist wahrscheinlich mein Lieblingsteil: Wir wollen andere Elemente testen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ionengröße ein Schlüsselfaktor ist. Wenn das stimmt, ist Silber nicht besonders, weil es Silber ist; es ist besonders, weil es groß ist. Das bedeutet, dass billigere, aber große Elemente auch funktionieren könnten. Zum Beispiel Natrium, Kalium oder Kupfer. Tatsächlich haben wir bereits sehr vielversprechende Ergebnisse mit Kupfer.