Röntgenbildgebung liefert Hinweise auf Brüche in Festkörperbatterien

02.07.2019 - USA

Festkörperbatterien - ein neues Batteriedesign, das nur feste Komponenten verwendet - haben in den letzten Jahren wegen ihres Potenzials, viel mehr Energie zu speichern und gleichzeitig die Sicherheitsherausforderungen ihrer flüssigkeitsbasierten Pendants zu vermeiden, an Bedeutung gewonnen.

Aber der Aufbau einer langlebigen Solid-State-Batterie ist einfacher gesagt als getan. Jetzt haben Forscher des Georgia Institute of Technology mit Hilfe der Röntgen-Computertomographie (CT) in Echtzeit visualisiert, wie sich Risse in der Nähe der Kanten der Grenzflächen zwischen den Materialien in den Batterien bilden. Die Ergebnisse könnten den Forschern helfen, Wege zur Verbesserung der Energiespeicher zu finden.

"Festkörperbatterien könnten sicherer sein als Lithium-Ionen-Batterien und potenziell mehr Energie speichern, was ideal für Elektrofahrzeuge und sogar für Elektroflugzeuge wäre", sagte Matthew McDowell, Assistant Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und der School of Materials Science and Engineering. "Technologisch ist es ein sehr schnelllebiges Gebiet, und es gibt viele Unternehmen, die daran interessiert sind."

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In einer typischen Lithium-Ionen-Batterie wird beim Transfer von Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden - einer Kathode und einer Anode - durch einen flüssigen Elektrolyten Energie freigesetzt.

Für die Studie, die in der Zeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht und von der National Science Foundation gefördert wurde, baute das Forschungsteam eine Festkörperbatterie, bei der eine feste Keramikscheibe zwischen zwei festen Lithiumteilen eingeklemmt war. Die Keramikscheibe ersetzte den typischen Flüssigelektrolyten.

"Herauszufinden, wie man diese festen Teile zusammenfügen und sich über lange Zeiträume hinweg gut verhalten kann, ist die Herausforderung", sagte McDowell. "Wir arbeiten daran, diese Schnittstellen zwischen diesen festen Teilen so zu gestalten, dass sie so lange wie möglich halten."

In Zusammenarbeit mit Christopher Saldana, Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering an der Georgia Tech und Experte für Röntgenbildgebung, stellten die Forscher die Batterie unter ein Röntgenmikroskop, luden und entluden sie und suchten nach physikalischen Veränderungen, die auf eine Verschlechterung hindeuten. Langsam über mehrere Tage hinweg bildete sich ein netzartiges Muster von Rissen in der gesamten Scheibe.

Diese Risse sind das Problem und treten mit dem Wachstum einer Zwischenphasenschicht zwischen Lithiummetall und Festelektrolyt auf. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Bruch während des Zyklus einen Widerstand gegen den Ionenfluss verursacht.

"Das sind unerwünschte chemische Reaktionen, die an den Schnittstellen auftreten", sagte McDowell. "Die Menschen haben allgemein angenommen, dass diese chemischen Reaktionen die Ursache für den Abbau der Zelle sind. Aber was wir durch diese Bildgebung gelernt haben, ist, dass in diesem speziellen Material nicht die chemischen Reaktionen selbst schlecht sind - sie beeinträchtigen die Leistung der Batterie nicht. Was schlecht ist, ist, dass die Zelle bricht und die Leistung der Zelle zerstört."

Die Lösung des Bruchproblems könnte einer der ersten Schritte sein, um das Potenzial von Festkörperbatterien, einschließlich ihrer hohen Energiedichte, zu erschließen. Die beobachtete Verschlechterung dürfte sich auf andere Arten von Festkörperbatterien auswirken, so die Forscher, so dass die Ergebnisse zu einem Design langlebigerer Schnittstellen führen könnten.

"In normalen Lithium-Ionen-Batterien definieren die Materialien, die wir verwenden, wie viel Energie wir speichern können", sagte McDowell. "Reines Lithium kann am meisten aushalten, aber es funktioniert nicht gut mit flüssigem Elektrolyt. Aber wenn man festes Lithium mit einem Festelektrolyten verwenden könnte, wäre das der heilige Gral der Energiedichte."

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