Neue Schutzbeschichtung verbessert die Sicherheit und Energiedichte von Lithium-Metall-Batterien

Stanford University, CA

Künstlerische Darstellung einer atomar dünnen Schicht aus Silber und einigen Silberatomen unter der Oberfläche, die die kristalline Struktur eines Festelektrolyten vor mechanischem Druck schützt. (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, viel mehr Energie speichert und erheblich schneller lädt als die heute im Handel erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien. Seit Jahrzehnten haben Wissenschaftler und Ingenieure verschiedene Wege erkundet, um das große Versprechen von Lithium-Metall-Batterien zu verwirklichen. Ein Hauptproblem bei den untersuchten festen, kristallinen Elektrolyten war die Bildung mikroskopischer Risse, die während des Gebrauchs bis zum Ausfall der Batterie wachsen.

Stanford-Forscher haben auf der Grundlage von vor drei Jahren veröffentlichten Erkenntnissen, die identifizierten, wie sich diese winzigen Unvollkommenheiten bilden und ausdehnen, herausgefunden, dass das Glühen einer extrem dünnen Silberschicht auf der Oberfläche des Festelektrolyten das Problem weitgehend zu lösen scheint. Wie in Nature Materials berichtet Diese Beschichtung härtet die Oberfläche des Elektrolyten um das Fünffache gegen Bruch durch mechanischen Druck aus. Dadurch werden vorhandene Mängel auch viel weniger anfällig für das Eindringen von Lithium in das Innere, insbesondere beim schnellen Aufladen, wodurch Nanorisse in Nanospalten umgewandelt werden und die Batterie schließlich unbrauchbar wird.

„Der Festelektrolyt, an dessen Verbesserung wir und andere arbeiten, ist eine Art Keramik, die es den Lithium-Ionen ermöglicht, leicht hin und her zu pendeln, aber sie ist spröde“, sagte Wendy Gu, außerordentliche Professorin für Maschinenbau und leitende Autorin der Studie. „In einem unglaublich kleinen Maßstab ist es den Keramiktellern oder -schalen, die man zu Hause hat, nicht unähnlich, deren Oberfläche winzige Risse aufweist.“

„Eine reale Festkörperbatterie besteht aus Schichten gestapelter Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Blätter. Diese ohne die kleinsten Unvollkommenheiten herzustellen wäre nahezu unmöglich und sehr teuer“, sagte Gu. „Wir haben entschieden, dass eine schützende Oberfläche realistischer sein könnte, und nur ein wenig Silber scheint ziemlich gute Wirkung zu erzielen.“

Frühere Forschungen anderer Wissenschaftler untersuchten die Verwendung von metallischen Ag-Beschichtungen auf demselben Festelektrolytmaterial – bekannt als „LLZO“ wegen seiner Mischung aus Lithium-, Lanthan- und Zirkoniumatomen sowie Sauerstoff – mit dem die aktuelle Studie arbeitete. Während in früheren Studien metallisches Silber zur Verbesserung der Batterieleistung verwendet wurde, wurde in der neuen Studie eine gelöste Form von Silber verwendet, die ein Elektron verloren hat (Ag+). Dieses gelöste, geladene Silber ist im Gegensatz zu metallischem, massivem Silber direkt für die Härtung der Keramik gegen Rissbildung verantwortlich.

Die Forscher lagerten eine 3 Nanometer dicke Silberschicht auf LLZO-Oberflächen ab und erhitzten die Proben dann auf 300 °C (572 °F). Beim Erhitzen diffundierten die Silberatome in die Oberfläche des Elektrolyten und tauschten dort mit viel kleineren Lithiumatomen bis zu einer Tiefe von 20 bis 50 Nanometern ihre Plätze aus. Das Silber blieb als positiv geladene Ionen und nicht als metallisches Silber zurück, was nach Ansicht der Wissenschaftler der Schlüssel zur Verhinderung der Rissbildung ist. Wo Unvollkommenheiten vorhanden sind, verhindert das Vorhandensein einiger positiver Silberionen auch, dass Lithium in den Elektrolyten eindringt und zerstörerische Verzweigungen bildet.

„Diese Methode kann auf eine breite Klasse von Keramiken ausgeweitet werden. Sie zeigt, dass ultradünne Oberflächenbeschichtungen den Elektrolyten unter extremen elektrochemischen und mechanischen Bedingungen wie schnellem Laden und Druck weniger spröde und stabiler machen können“, sagte Xin Xu, der in Stanford im Labor von Professor William Chueh arbeitete, einem leitenden Autor der Studie und Direktor des Precourt Institute for Energy, das Teil der Stanford Doerr School of Sustainability ist.

Mit einer speziellen Sonde in einem Rasterelektronenmikroskop maßen die Forscher die Kraft, die zum Brechen der Oberfläche erforderlich ist. Der mit Silber behandelte Festelektrolyt erforderte im Vergleich zum unbehandelten Material einen fast fünfmal höheren Druck zum Knacken. Bisher funktionierten die Experimente nicht mit kompletten Batterien, sondern mit kleinen Testmustern. Die Forscher wenden nun die silberbasierte Oberflächenbehandlung auf Voll-Lithium-Metall-Batterien an, um zu sehen, wie gut die Beschichtung unter realen Bedingungen funktioniert, wie zum Beispiel wiederholtem Schnellladen und Langzeitgebrauch.

Darüber hinaus erforscht das Team verschiedene Strategien zur Anwendung von mechanischem Druck in verschiedenen Winkeln, die die Batterielebensdauer verlängern können. Sie untersuchen auch Methoden zur Verhinderung von Ausfällen bei weiteren Arten von Festelektrolyten, beispielsweise solchen auf Schwefelbasis, die zusätzliche Vorteile wie eine verbesserte chemische Stabilität mit Lithium haben könnten. Die Anwendung dieser Erkenntnisse auf neue Batterien auf Natriumbasis ist eine faszinierende Möglichkeit, die dazu beitragen kann, Einschränkungen in der Lieferkette für Batterien auf Lithiumbasis zu verringern.

Silber sei nicht die einzige Option, sagten die Forscher. Erste Tests mit anderen, günstigeren Metallen – zum Beispiel Kupfer – haben ermutigende Ergebnisse gezeigt. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse auf einen neuen und flexiblen Ansatz zur Verstärkung der fragilen Materialien hin, die für Batterien der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung sein könnten.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Wendy Gu unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.