Forscher lösen 40 Jahre altes Problem

Langlebige, stabile Festkörper-Lithium-Batterie entwickelt

Langlebige, schnell aufladbare Batterien sind für die Expansion des Marktes für Elektrofahrzeuge unerlässlich, aber die heutigen Lithium-Ionen-Batterien entsprechen nicht den Anforderungen – sie sind zu schwer, zu teuer und brauchen zu lange zum Aufladen. Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, das Potenzial von Lithium-Metall-Festkörperbatterien zu nutzen, die bei gleichem Volumen wesentlich mehr Energie speichern und sich im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien in einem Bruchteil der Zeit aufladen lassen, schreibt Leah Burrows auf der Internetseite der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Der erste Elektrolyt (grün) ist stabiler mit Lithium, aber anfällig für das Eindringen von Dendriten. Der zweite Elektrolyt (braun) ist weniger stabil mit Lithium, scheint aber immun gegen Dendriten zu sein. In diesem Design können Dendriten durch den Graphit und den ersten Elektrolyten wachsen, werden aber gestoppt, wenn sie den zweiten Elektrolyten erreichen – Bild © mit freundlicher Genehmigung von Second Bay Studios/Harvard SEAS

“Eine Lithium-Metall-Batterie gilt wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte als der heilige Gral der Batteriechemie”, sagt Xin Li, Associate Professor of Materials Science an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS). “Aber die Stabilität dieser Batterien war immer schlecht.” Jetzt haben Li und sein Team eine stabile Lithium-Metall-Festkörperbatterie entwickelt, die mindestens 10.000 Mal – weit mehr Zyklen als bisher gezeigt – bei hoher Stromdichte geladen und entladen werden kann. Die Forscher paarten das neue Design mit einem kommerziellen Kathodenmaterial mit hoher Energiedichte.

Diese Batterietechnologie könnte die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen auf die von Benzinern erhöhen – 10 bis 15 Jahre – ohne dass die Batterie ausgetauscht werden muss. Mit ihrer hohen Stromdichte könnte die Batterie den Weg für Elektrofahrzeuge ebnen, die innerhalb von 10 bis 20 Minuten vollständig aufgeladen werden können. Die Forschungsarbeit wurde unter dem Titel “A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries” in Nature veröffentlicht.

Li: “Unsere Forschung zeigt, dass sich die Festkörperbatterie grundlegend von der kommerziellen Flüssigelektrolyt-Lithium-Ionen-Batterie unterscheiden könnte”. “Indem wir ihre grundlegende Thermodynamik studieren, können wir ihre überlegene Leistung freisetzen und ihre vielfältigen Möglichkeiten nutzen.” Die große Herausforderung bei Lithium-Metall-Batterien war schon immer die Chemie. Lithium-Batterien transportieren während des Ladevorgangs Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. Wenn die Anode aus Lithium-Metall besteht, bilden sich auf der Oberfläche nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten. Diese Strukturen wachsen wie Wurzeln in den Elektrolyten und durchstoßen die Barriere zwischen Anode und Kathode, was zu einem Kurzschluss oder sogar zum Brand der Batterie führen kann.

Um diese Herausforderung zu meistern, entwarfen Li und sein Team eine Mehrschichtbatterie, bei der verschiedene Materialien mit unterschiedlicher Stabilität zwischen Anode und Kathode angeordnet sind. Diese mehrschichtige Multimaterial-Batterie verhindert das Eindringen von Lithium-Dendriten nicht, indem sie sie gänzlich aufhält, sondern indem sie sie kontrolliert und eindämmt.

Stellen Sie sich die Batterie wie ein BLT-Sandwich vor. Zuerst kommt das Brot – die Lithium-Metall-Anode – gefolgt von Salat – einer Schicht Graphit. Als nächstes kommt eine Schicht Tomaten – der erste Elektrolyt – und eine Schicht Speck – der zweite Elektrolyt. Den Abschluss bilden eine weitere Schicht Tomaten und das letzte Stück Brot – die Kathode.

Der erste Elektrolyt (chemische Bezeichnung Li5.5PS4.5Cl1.5 oder LPSCI) ist stabiler mit Lithium, aber anfällig für das Eindringen von Dendriten. Der zweite Elektrolyt (Li10Ge1P2S12 oder LGPS) ist weniger stabil mit Lithium, scheint aber immun gegen Dendriten. Bei diesem Design können die Dendriten durch den Graphit und den ersten Elektrolyten wachsen, werden aber gestoppt, wenn sie den zweiten Elektrolyten erreichen. Mit anderen Worten: Die Dendriten wachsen durch den Salat und die Tomate hindurch, werden aber am Speck gestoppt. Die Speckbarriere hält die Dendriten davon ab, durchzudringen und die Batterie kurzzuschließen.

“Unsere Strategie, Instabilität einzubauen, um die Batterie zu stabilisieren, fühlt sich kontraintuitiv an, aber so wie ein Anker eine Schraube führen und kontrollieren kann, die in eine Wand eindringt, so kann auch unser mehrlagiges Design das Wachstum von Dendriten führen und kontrollieren”, sagt Luhan Ye, Co-Autor der Arbeit und Doktorand am SEAS.

“Der Unterschied ist, dass unser Anker schnell zu eng wird, damit der Dendrit sich durchbohren kann, so dass das Dendritenwachstum gestoppt wird”, fügte Li hinzu. Die Batterie ist außerdem selbstheilend; ihre Chemie erlaubt es ihr, die von den Dendriten erzeugten Löcher wieder aufzufüllen. “Dieses Proof-of-Concept-Design zeigt, dass Lithium-Metall-Festkörperbatterien mit kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien konkurrenzfähig sein könnten”, sagte Li. “Und die Flexibilität und Vielseitigkeit unseres Multilayer-Designs macht es potenziell kompatibel mit Massenproduktionsverfahren in der Batterieindustrie. Die Skalierung zur kommerziellen Batterie wird nicht einfach sein und es gibt noch einige praktische Herausforderungen, aber wir glauben, dass sie überwunden werden können.”

Die Forschung wurde vom Dean’s Competitive Fund for Promising Scholarship der Harvard University und dem Harvard Data Science Initiative Competitive Research Fund unterstützt. Harvards Office of Technology Development hat ein Portfolio an geistigem Eigentum im Zusammenhang mit diesem Projekt geschützt, das mit Unterstützung von Harvards Physical Sciences and Engineering Accelerator und dem Harvard Climate Change Solutions Fund in Richtung kommerzielle Anwendungen vorangetrieben wird.

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