Forschung -

Lithium-Metall-Batterien haben jetzt bessere Marktchancen

Lithium-Metall-Batterien können bis zu 10-mal mehr Ladung aufnehmen wie die bekannten Lithium-Ionen-Batterien - aber die Lithium-Metall-Batterien zeigen einen entscheidenden Nachteil: Wenn diese Batterien laden und entladen, lagert sich das Lithium auf den Elektroden ungleichmäßig ab und versetzt damit die Batterie in einen sehr unsicheren Betriebszustand.

Nunmehr entwickelten Forscher von der University of Illinois at Chicago (UIC)
eine sehr interessante Lösung für dieses Problem, und zwar in Form eines mit Graphenoxid beschichteten Nanoblattes.

Befindet sich dieses Blatt zwischen den beiden Elektroden einer Lithium-Metall-Batterie, verhindert es eine ungleiche Lithiumablagerung und erhält die Batteriefunktion für Hunderte von Lade-/Entladezyklen. Der Forschungsbericht erschien in "Advanced Functional Materials".

"Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass zweidimensionale Materialien - in diesem Fall Graphenoxid - die Lithiumablagerung so regeln können, dass sich die Lebenszeit von Lithium-Metall-Batterien verlängern lässt," sagte der außerordentliche Professor Reza Shahbazian-Yassar vom UIC College of Engineering.

Im Vergleich mit herkömmlichen Batterien sind Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte und des relativ leichten Gewichtes eigentlich sehr beliebt.

Aber im Verlauf von vielen Lade-/Entladezyklen bilden sich auf den Lithium-Metall-Elektroden der Batterie durch die unförmige Ablagerung sogenannte dendritische Strukturen.

Wenn diese Strukturen durch die Elektrolytlösung wachsen und die andere Elektrode erreichen, kann es zu Katastrophen (Explosionen oder Feuer) kommen.

In Lithium-Ionen-Batterien befindet sich im Elektrolyt eine Trennvorrichtung, die in der Regel aus einem porösen Polymer oder Glaskeramikfasern besteht. Lithiumionen können durch die Trennung fließen, während andere Komponenten blockiert werden.

Die UIC-Forscher gebrauchten eine modifizierte Trennung in einer Lithium-Metall-Batterie, um den Fluss der Lithiumionen zu modulieren und damit die Ablagerungsrate des Lithiums zu regeln. Man hoffte damit, die Bildung der Dendriten zu verhindern. Man beschichtete eine Glasfasertrennung mit Graphenoxid und fertigte damit ein Nanoblatt.

Mit verschiedenen Bildtechniken zeigten die Forscher, dass sich bei einer Verwendung des Nanoblattes in einer Lithium-Metall-Batterie auf der Oberfläche der Lithiumelektroden ein gleichmäßiger Lithiumfilm formte. Die Batteriefunktion und die Sicherheit der Batterie wurden dadurch verbessert.

Molekülsimulationen durch Forscher von der Texas A & M University lassen vermuten, dass die Lithiumionen kurzfristig mit dem Graphenoxid bonden und dann durch winzige Defektbereiche im Nanoblatt diffundieren.

Dadurch verzögert sich der Durchgang der Lithiumionen ausreichend lang, um die Formung von dendritischen Lithiumablagerungen auf der Elektrode zu verhindern.

Weitere Berechnungen von Professor Farzad Mashayek mit Phasenfeldmodellberechnungen weisen darauf hin, dass Graphenoxid auch mechanisch das Wachstum der Lithiumdendriten unterdrücken kann.

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