Forschung -

Kernursache für den Ausfall von Festkörperbatterien erkannt

Die Verwendung einer Lithium-Metall-Anode in wiederaufladbaren Batterien könnte die Energiedichte herkömmlicher Batterien deutlich erhöhen, stellt aber in Kombination mit Festelektrolyten (SEs) aufgrund der Bildung von Dendriten eine Herausforderung dar.

Dendriten - eine Kristallmasse, die einer Brokkolikrone ähnelt - bilden sich in Elektrolyten und verursachen letztlich einen Batterieausfall. Die Ursache für das Dendritenwachstum bei Festelektrolyten blieb bis vor Kurzem ein Rätsel.

Ein Forscherteam der University of Maryland (UMD) - bestehend aus Professor Chunsheng Wang, Professor Howard Wang und Dr. Nancy Dudney vom Oak Ridge National Laboratory - entdeckte, dass die hohe elektronische Leitfähigkeit von Festelektrolyten die eigentliche Ursache für die Dendritenbildung in Festkörperbatterien ist.

Wenn die elektronische Leitfähigkeit reduziert werden kann, bilden sich Dendriten weniger leicht, was die Langlebigkeit der Batterie erhöht. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in "Nature Energy" veröffentlicht.

"Mit einer einzigartigen und leistungsstarken Technik namens In-situ-Neutronentiefenprofilierung (durchgeführt an der beam-line NG5 des NIST Center for Neutron Research) können wir die Bildung von Dendriten innerhalb der Festelektrolyte direkt beobachten", sagte Wang.

Herkömmliche Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Dendriten allmählich von einer Seite einer Batterie zur anderen wachsen, aber die Wang-Gruppe stellte fest, dass Dendriten innerhalb des Festelektrolyten anfangen zu wachsen, da Sulfid- und Oxid-Elektrolyte eine viel höhere elektronische Leitfähigkeit haben als flüssige Elektrolyten und LiPON.

Dendriten bestehen im Wesentlichen aus Lithiummetall, das durch die Kombination von Lithiumionen und Elektronen entsteht. Eine der Hauptfunktionen eines Festelektrolyten besteht darin, Lithiumionen zu leiten.

Es werden enorme Anstrengungen unternommen, die Ionenleitfähigkeit dieses Materials zu verbessern, während die elektronische Leitfähigkeit von SEs bisher nie als Problem angesehen wurde.

"Festelektrolyte sind Lithiumionen-Leiter - reich an Lithiumionen - also zeigt die direkte Bildung von Dendriten in den SEs, dass es auch freie Elektronen im Elektrolyten gibt", sagte Wang.

"Die hohe elektronische Leitfähigkeit senkt das Potenzial innerhalb der SEs - wenn das Potenzial niedriger als ein kritischer Wert ist, beginnen sich Dendriten zu bilden."

"Die zukünftige Forschung sollte sich auf die Reduzierung der elektronischen Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung oder zumindest Aufrechterhaltung der ionischen Leitfähigkeit von SEs konzentrieren", sagte Chunsheng Wang.

Die Ergebnisse werden zur Entwicklung sicherer, leistungsstarker Festkörperbatterien beitragen, die zur sauberen Energiespeicherung in tragbaren elektronischen Geräten (z. B. Handys und Laptops) und in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden können. Dieses Forschungsprojekt wird von Army Research Office, der NSF, dem DOE und dem NIST unterstützt.

Schrifttum: Han, F., Westover, A.S., Yue, J., Fan, X., Wang, F., Chi, M., Leonard, D.N., Dudney, N.J., Wang, H., and Wang, C. (2019). “High electronic conductivity as the origin of lithium dendrite formation within solid electrolytes.” Nature Energy, DOI: 10.1038/s41560-018-0312-z.

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