Forschung -

Sicherer Feststoff-Lithiumakku ohne Dendritenwuchs

Die fadenförmigen Dendriten, die sich bei den Lade- und Entladezyklen in den gängigen Lithium-Ionen-Batterien bilden können, stellen einen bisher ungelösten Gefahrenmoment dar, denn sie können nicht nur zu Kurzschlüssen führen. Aber eine Abhilfe scheint in Sicht zu sein.

Mit Echtzeit-Nanobildtechniken konnten Forscher vom National Institute of Standards and Technology (NIST) dokumentieren, wie sich Lithium in einer zukünftigen Lithium-Batterie bewegt, die nur aus festen Komponenten besteht.

Beim Untersuchen des Verhaltens des Lithiums unter verschiedenen Umgebungsbedingungen - also mit unterschiedlichen Konzentrationen des molekularen Sauerstoffs - konnte das Forscherteam nunmehr die optimalen Bedingungen festlegen, um das Wachstum der Lithiumfäden zu verhindern.

Obwohl die Technologie der Festoff-Lithiumbatterien noch nicht voll entwickelt ist, wird nach Ansicht der Forscher dieser Batterietyp letztendlich die Lithium-Ionen-Batterie ablösen, die seit 25 Jahren ein Industriestandard ist.

Eine standardisierte Lithium-Ionen-Batterie enthält einen flüssigen Elektrolyt - eine elektrisch leitende Substanz, die während des Ladens den Ionenfluss von der positiv geladenen Kathode zur negativ geladenen Anode bewerkstelligt (bei Entladung umgekehrt).

Die Feststoff-Batterie hat einen Dünnfilm aus festen Elektrolyten und ist somit kompakter und leichter und kann potenziell mehr Energie speichern. Der feste Elektrolyt ist zudem nicht entflammbar.

Während des Ladens wandern die Lithiumionen der Feststoff-Batterie durch den festen Elektrolyt, und zwar von der Kathode zur Anode. Während dieses Prozesses sammeln sich unvermeidlich einige der Ionen auf der Anodenoberfläche als Lithiumatome, anstatt sich selbst in die Schichtstruktur des Anodeninneres einzufügen.

Damit die Feststoff-Batterie fehlerlos funktioniert und möglichst viel Energie speichert, muss sich das Lithium gleichmäßig auf der Anode deponieren. Das ist schwierig zu bewerkstelligen.

Während sich die Lithiumatome auf der Anode sammeln, wachsen sie manchmal zu Klumpen und dann zu isolierten Nanostrukturen, wie zum Beispiel eine Art Fäden, die durchaus ein Disaster auslösen können.

Die Fäden ragen aus der Anode heraus und können sogar die Kathode berühren. Das verursacht einen Kurzschluss und die Zerstörung der Batterie.

Die kontrollierte Beschichtung und Ablösung der Lithiumatome auf der Anode ist somit für eine gute Arbeitsbedingung der Feststoff-Lithiumbatterie lebenswichtig.

Mit einem Rasterelektronenmikroskop erfassten die Forscher mit Bildern und Videos die Lithiumaktivitäten während eines Batteriebetriebes. Die Forscher benutzten die Auger-Elektronenspektroskopie, mit der ein Elektronenstrahl die Oberflächenatome dazu veranlasst, Elektronen freizugeben. Dadurch lassen sich die Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Anode feststellen.

Dr. Alexander Yulaev und seine Kollegen stellten fest, dass eine bestimmte Balance zwischen mehreren unterschiedlichen Faktoren dafür verantwortlich ist, wie sich die Lithiumatome auf der Anode verteilen.

Es geht dabei um die Rate, mit der die Lithiumatome an der Anode ankommen und die Konzentration des molekularen Sauerstoffs oder anderer oxidierender Unreinheiten, die mit den Lithiumatomen reagieren.

Wenn die oberste Anodenschicht aus Lithiumatomen relativ geringen Konzentrationen von molekularem Sauerstoff ausgesetzt wird, formt sie eine dünne Hülle aus Lithiumoxid, die den Lithiumrest umschließt.

Während des Ladens sammeln sich weitere Lithiumatome auf der Anode an, wo sie die dünne Schale sehr leicht zerbrechen und die Lithiumatome aus der Anode drücken, was zur Bildung von den Dendriten führt, die Kurzschlüsse auslösen können.

Zur Überraschung der Forscher stellte sich dann aber heraus, dass höhere Konzentrationen des molekularen Sauerstoffs das Lithium daran hinderten, Dendriten zu formen.

Nach Ansicht der Forscher führt die höhere Sauerstoffkonzentration zu einer dickeren Lithiumoxidschale, die sich von den neu hinzukommenden Lithiumatomen nicht aufbrechen lässt.

Yulaev sowie NIST-Kollegen und weitere Mitarbeiter von den Sandia National Laboratories und der Michigan State University beschreiben ihre Forschungsergebnisse in "Nano Letters".

Schrifttum: Alexander Yulaev, Vladimir Oleshko, Paul Haney, Jialin Liu, Yue Qi, A. Alec Talin, Marina S. Leite, and Andrei Kolmakov. From Microparticles to Nanowires and Back: Radical Transformations in Plated Li Metal Morphology Revealed via in Situ Scanning Electron Microscopy. Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04518

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