Forschung -

Effiziente Elektroden für Li-Ionen-Festkörperbatterien

Wissenschaftler von Tokyo Tech haben einen der Hauptnachteile von Festkörperbatterien behoben, und zwar mit der Entwicklung von Batterien mit einem niedrigen Widerstand an der Grenzfläche Elektrode/Festelektrolyt.

Die so hergestellten Batterien zeigten hervorragende elektrochemische Eigenschaften, die die der herkömmlichen und allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien bei Weitem übertreffen.

Viele Verbraucher sind mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien vertraut, die sich in den letzten Jahrzehnten entwickelt haben und heute in allen Arten von elektronischen Geräten verbreitet sind.

Trotz ihres breiten Einsatzes sind Wissenschaftler und Ingenieure der Meinung, dass die traditionelle Lithium-Ionen-Batterie-Technologie bereits ihr volles Potenzial erreicht hat und neue Batterietypen benötigt werden.

Feststoffbatterien sind neuartige Lithium-Ionen-Batterien und haben sich als potenziell sicherere und stabilere Energiespeicher mit höherer Energiedichte erwiesen.

Der Einsatz solcher Batterien ist jedoch aufgrund eines großen Nachteils begrenzt: Deren Widerstand an der Grenzfläche Elektrode/Festelektrolyt ist zu hoch, was ein schnelles Laden und Entladen erschwert.

Wissenschaftler von der Tokyo Tech und der Tohoku University, unter der Leitung von Professor Taro Hitosugi, fertigten mit Li(Ni0,5Mn1,5)O4 (LNMO) Festkörperbatterien mit extrem niedrigen Übergangswiderstand, indem sie ihre Batterien unter Ultrahochvakuumbedingungen herstellten und testeten, um sicherzustellen, dass die Elektrolyt-/Elektrodengrenzflächen frei von Verunreinigungen waren.

Der Aufbau dieser Festkörperbatterien ist prinzipiell im Bild dargestellt. Nach der Herstellung wurden die elektrochemischen Eigenschaften dieser Batterien charakterisiert, um Licht in die Li-Ionen-Verteilung im Bereich der Grenzfläche zu bringen.

Röntgensysteme und die Raman-Spektroskopie wurden zur Analyse der Kristallstruktur der dünnen Schichten der Batterien eingesetzt. Entdeckt wurde eine spontane Migration von Li-Ionen aus der Li3PO4-Schicht in die LNMO-Schicht, wobei die Hälfte des LNMO in L2NMO an der Li3PO4/LNMO-Schnittstelle umgewandelt wurde. Die umgekehrte Migration erfolgt während des ersten Ladevorgangs, um LNMO zu regenerieren.

Der Widerstand dieser mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie verifizierten Schnittstelle betrug 7,6 Ohm/cm2, zwei Größenordnungen kleiner als bei früheren LMNO-basierten Festkörperbatterien und sogar noch kleiner als bei LNMO-basierten Li-Ionen-Batterien mit einem Flüssigelektrolyt.

Diese Akkus zeigten auch ein schnelles Laden und Entladen, sodass die Hälfte des Akkus innerhalb von nur einer Sekunde geladen/entladen werden konnte.

Darüber hinaus war auch die Zyklenfestigkeit der Batterie ausgezeichnet und zeigte auch nach 100 Lade-/Entladezyklen keine Leistungseinbußen.

Li(Ni0.5Mn1.5)O4 ist ein vielversprechendes Material für die Erhöhung der Energiedichte einer Batterie, da das Material uns eine höhere Spannung liefert. Das Forscherteam hofft, dass diese Ergebnisse die Entwicklung von leistungsstarken Feststoffbatterien ermöglichen.

Weitere Beiträge zum Thema Forschung Alle Artikel des Ressorts
© elektronikinformationen.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten