Erste Nahaufnahmen der Alterung einer Lithium-Metall-Elektrode

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Prozess dokumentiert

Der gleiche Prozess, der den Akku eines Mobiltelefons entlädt, selbst wenn es ausgeschaltet ist, ist ein noch größeres Problem für Lithium-Metall-Batterien, die für die nächste Generation kleinerer, leichterer elektronischer Geräte, weiterreichender Elektrofahrzeuge und anderer Anwendungen entwickelt werden. Wissenschaftler der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums haben zum ersten Mal auf atomarer Ebene untersucht, wie dieser Prozess, der als „Kalenderalterung“ bezeichnet wird, Lithium-Metall-Anoden oder negative Elektroden angreift.

Batterien – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Sie entdeckten, dass die Beschaffenheit des Batterieelektrolyten, der die Ladung zwischen den Elektroden transportiert, großen Einfluss auf die Alterung hat – ein Faktor, der bei der Entwicklung von Elektrolyten, welche die Leistung einer Batterie maximieren, berücksichtigt werden muss. Die Untersuchung zeigt auch, dass die Kalenderalterung 2-3 % der Ladung einer Lithium-Metall-Batterie in nur 24 Stunden abziehen kann – ein Verlust, der bei einer Lithium-Ionen-Batterie drei Jahre dauern würde. Obwohl sich dieser Ladungsabfluss mit der Zeit verlangsamt, summiert er sich schnell und kann die Lebensdauer des Akkus um 25% reduzieren.

„Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass der Elektrolyt einen großen Unterschied in der Stabilität von Speicherbatterien ausmachen kann“, sagte SLAC- und Stanford-Professor Yi Cui, der die Studie zusammen mit Stanford-Professor Zhenan Bao leitete. „Das ist etwas, mit dem man sich bisher nicht wirklich beschäftigt hat, um zu verstehen, was da vor sich geht.“ Das Forscherteam beschreibt seine Ergebnisse in Nature Energy unter dem Titel „Corrosion of lithium metal anodes during calendar ageing and its microscopic origins“.

Leichtere Batterien für reichweitenstarke Autos

Wie die heutigen Lithium-Ionen-Batterien verwenden auch Lithium-Metall-Batterien Lithium-Ionen, um die Ladung zwischen den Elektroden hin und her zu transportieren. Aber wo Lithium-Ionen-Batterien Anoden aus Graphit haben, haben Lithium-Metall-Batterien Anoden aus Lithium-Metall, das viel leichter ist und das Potenzial hat, viel mehr Energie für ein bestimmtes Volumen und Gewicht zu speichern. Das ist besonders wichtig für Elektrofahrzeuge, die viel Energie aufwenden, um ihre schweren Batterien mit sich herumzuschleppen. Ein geringeres Gewicht könnte die Kosten senken, die Reichweite erhöhen, und die Fahrzeuge für den Verbraucher attraktiver machen.

Das Battery 500 Consortium des DOE (US-Energieministerium) will Lithium-Metall-Batterien für Elektrofahrzeuge entwickeln, die fast dreimal so viel Ladung pro Gewichtseinheit speichern können wie die heutigen EV-Batterien. Obwohl sie bei der Erhöhung der Energiedichte und der Lebensdauer dieser Batterien bereits große Fortschritte gemacht haben, liegt noch ein weiter Weg vor ihnen. Sie kämpfen auch mit dem Problem der Dendriten, fingerähnliche Wucherungen auf der Anode, die einen Kurzschluss in der Batterie verursachen und Feuer fangen.

In heutigen Lithium-Ionen-Batterien korrodiert der Elektrolyt die Oberfläche der Anode, wodurch eine Schicht entsteht, die als Festkörper-Elektrolyt-Interphase oder SEI bezeichnet wird. Diese Schicht ist sowohl Dr. Jekyll als auch Mr. Hyde: Sie verbraucht einen kleinen Teil der Batteriekapazität, aber sie schützt die Anode auch vor weiterer Korrosion. Unterm Strich ist eine glatte, stabile SEI-Schicht also gut für die Funktion der Batterie.

Aber in Lithium-Metall-Batterien wird jedes Mal, wenn die Batterie geladen wird, eine dünne Schicht Lithium-Metall auf der Oberfläche der Anode abgelagert, und diese Schicht bietet eine frische Oberfläche für Korrosion während der Kalenderalterung. Darüber hinaus „fanden wir ein viel aggressiveres Wachstum der SEI-Schicht auf diesen Anoden aufgrund aggressiverer chemischer Reaktionen mit dem Elektrolyten“, sagte Huang. Jeder getestete Elektrolyt führte zu einem ausgeprägten Muster des SEI-Wachstums, wobei einige Klumpen, Filme oder beides bildeten, und diese unregelmäßigen Wachstumsmuster wurden mit schnellerer Korrosion und einem Verlust der Ladeeffizienz in Verbindung gebracht.

Ein Gleichgewicht finden

Entgegen den Erwartungen waren Elektrolyte, die sonst eine hocheffiziente Aufladung unterstützen würden, genauso anfällig für Effizienzverluste aufgrund von Kalenderalterung wie schlecht funktionierende Elektrolyte, so Cui. Es gab keine einzige Elektrolytchemie, die beides gut konnte. Um also die kalendarische Alterung zu minimieren, besteht die Herausforderung darin, sowohl die korrosive Natur des Elektrolyten als auch das Ausmaß des Lithiummetalls auf der Anodenoberfläche zu minimieren, das es angreifen kann. „Was wirklich wichtig ist, ist, dass dies uns eine neue Möglichkeit gibt, zu untersuchen, welche Elektrolyte am vielversprechendsten sind“, sagte Bao. „Es zeigt ein neues Kriterium für das Elektrolytdesign auf, um die Parameter zu erreichen, die wir für die nächste Generation der Batterietechnologie benötigen.“

Die Forschungsarbeiten wurde vom DOE Office of Vehicle Technologies im Rahmen des Battery Materials Research Program und dem Battery 500 Consortium unterstützt. Teile der Arbeit wurden in den Stanford Nano Shared Facilities durchgeführt.

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