Forschung -

Höhere Lebensdauer und Sicherheit für Li-Metall-Batterien

Wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterien mit erhöhter Energiedichte, Leistung und Sicherheit lassen sich mit einer neu entwickelten, festen Elektrolytzwischenphase (SEI) realisieren, so Forscher der Penn State University.

Da die Nachfrage nach Lithium-Metall-Batterien mit höherer Energiedichte zunimmt - für Elektrofahrzeuge, Smartphones und Drohnen - ist die Stabilität des SEI ein kritisches Problem, das die Weiterentwicklung dieses Batterietyps bisher stoppt, da eine Salzschicht auf der Oberfläche der Lithiumelektrode der Batterie diese isoliert und Lithiumionen leitet.

"Diese Schicht ist sehr wichtig und wird durch die Reaktion zwischen dem Lithium und dem Elektrolyten in der Batterie ganz natürlich gebildet", sagte Professor Donghai Wang. "Aber es verhält sich nicht sehr gut, was viele Probleme verursacht."

Als eine der am wenigsten verstandenen Komponenten von Lithium-Metall-Batterien trägt der Abbau des SEI zur Entwicklung von Dendriten bei - nadelartige Formationen, die aus der Lithiumelektrode des Akkus wachsen und die Leistung und Sicherheit negativ beeinflussen. Ihren Bericht zu diesem Problem haben die Forscher in "Nature Materials" veröffentlicht.

"Deshalb halten Lithium-Metall-Batterien nicht lange - die Interphase wächst und ist nicht stabil", sagte Wang. "In diesem Projekt benutzen wir daher einen Polymerverbund, um eine viel bessere SEI herzustellen."

Unter der Leitung des Chemie-Doktoranden Yue Gao entstand das verbesserte SEI aus einem reaktiven Polymerverbund aus polymerem Lithiumsalz, Lithiumfluorid-Nanopartikeln und Graphenoxidblättern.

Die neuartige Konstruktion dieser Batteriekomponente besteht aus dünnen Schichten dieser Materialien, beruhend auf der Expertise von Professor Thomas E. Mallouk.

"Es ist viel Kontrolle auf molekularer Ebene notwendig, um ein stabiles Lithium-Interface zu erreichen", sagte Mallouk. "Das Polymer, das Yue und Donghai entwickelt haben, reagiert, um eine krallenartige Bindung an der Lithium-Metalloberfläche herzustellen."

"Es gibt der Lithium-Oberfläche auf passive Weise das, was sie will, sodass sie nicht mit den Molekülen im Elektrolyten reagiert. Die Nanoblätter im Verbund dienen als mechanische Barriere, die verhindert, dass sich Dendriten aus dem Lithiummetall bilden."

Durch die Zusammenarbeit zwischen den Bereichen Chemie und Ingenieurwesen konnte diese Technologie die Lithiumoberfläche im atomaren Maßstab bestimmen.

"Wenn wir Batterien entwickeln, denken wir nicht unbedingt wie Chemiker bis auf die molekulare Ebene, aber das ist es, was wir hier tun mussten", sagte Mallouk.

Das reaktive Polymer senkt auch das Gewicht und die Herstellungskosten und verbessert damit die Zukunft von Lithium-Metall-Batterien.

"Mit einem stabileren SEI ist es möglich, die Energiedichte von aktuellen Batterien zu verdoppeln, wobei sie noch länger halten und sicherer sind", sagte Wang.

Diese Forschung stellt die neueste Innovation dar, die von Wang, einem Mitglied des 'Institute of Energy and the Environment' (IEE) und des 'Battery Energy and Storage Technology (BEST) Center', einem führenden Forschungsinstitut für Energiespeicherung, entwickelt wurde.

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