Batterie-Durchbruch gibt Elektroflugzeugen und Elektroautos mit großer Reichweite Auftrieb
Forscher entwickeln neue Festelektrolyte, die den Weg zu einer breiteren Elektrifizierung des Verkehrs ebnen
Auf der Suche nach einer wiederaufladbaren Batterie, die Elektrofahrzeuge (EVs) über Hunderte von Kilometern mit einer einzigen Ladung antreiben kann, haben Wissenschaftler versucht, die derzeit in EV-Batterien verwendeten Graphit-Anoden durch Lithium-Metall-Anoden zu ersetzen.
Forscher des Berkeley Labors und der Carnegie Mellon University haben neue Festelektrolyte entwickelt, die den Weg zu einer breiteren Elektrifizierung des Transportwesens ebnen.
Courtesy of Jinsoo Kim
Doch während Lithium-Metall die Reichweite eines EVs um 30-50% verlängert, verkürzt es auch die Lebensdauer der Batterie aufgrund von Lithium-Dendriten, winzigen baumartigen Defekten, die sich im Laufe vieler Lade- und Entladezyklen an der Lithium-Anode bilden. Noch schlimmer ist, dass die Dendriten die Zellen in der Batterie kurzschließen, wenn sie mit der Kathode in Kontakt kommen.
Jahrzehntelang gingen die Forscher davon aus, dass harte, feste Elektrolyte, zum Beispiel aus Keramik, am besten verhindern, dass sich Dendriten durch die Zelle arbeiten. Doch das Problem mit diesem Ansatz, so fanden viele, besteht darin, dass er die Bildung oder "Keimbildung" von Dendriten gar nicht erst verhinderte, wie winzige Risse in der Windschutzscheibe eines Autos, die sich schließlich ausbreiten.
Nun haben Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) der Energieabteilung in Zusammenarbeit mit der Carnegie Mellon University in der Zeitschrift Nature Materials über eine neue Klasse von weichen, festen Elektrolyten - sowohl aus Polymeren als auch aus Keramik - berichtet, die die Dendriten in diesem frühen Stadium der Keimbildung unterdrücken, bevor sie sich ausbreiten und die Batterie versagen können.
Die Technologie ist ein Beispiel für die multidisziplinäre Zusammenarbeit von Berkeley Lab in seinen Benutzeranlagen zur Entwicklung neuer Ideen für den Zusammenbau, die Charakterisierung und die Entwicklung von Materialien und Geräten für Festkörperbatterien.
Festkörper-Energiespeichertechnologien wie Lithium-Metall-Festkörperbatterien, die eine Festelektrode und einen Festelektrolyten verwenden, können eine hohe Energiedichte bei ausgezeichneter Sicherheit bieten, aber die Technologie muss verschiedene Material- und Verarbeitungsherausforderungen überwinden.
"Unsere dendritenunterdrückende Technologie hat aufregende Auswirkungen auf die Batterieindustrie", sagte Co-Autor Brett Helms, ein Wissenschaftler in der Molekulargiesserei des Berkeley Labors. "Mit ihr können Batteriehersteller sicherere Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer herstellen.
Helms fügte hinzu, dass mit dem neuen Elektrolyten hergestellte Lithium-Metall-Batterien auch für den Antrieb von Elektroflugzeugen verwendet werden könnten.
Ein sanfter Ansatz zur Dendritenunterdrückung
Der Schlüssel zum Design dieser neuen weichen, festen Elektrolyte war die Verwendung von weichen Polymeren mit intrinsischer Mikroporosität oder PIMs, deren Poren mit Keramikpartikeln in Nanogröße gefüllt waren. Da der Elektrolyt ein flexibles, weiches, festes Material bleibt, werden Batteriehersteller in der Lage sein, Rollen aus Lithiumfolien herzustellen, bei denen der Elektrolyt als Laminat zwischen Anode und Batterieseparator fungiert. Diese Lithium-Elektroden-Unterbaugruppen, oder LESAs, sind ein attraktiver Drop-in-Ersatz für die herkömmliche Graphit-Anode und ermöglichen es den Batterieherstellern, ihre bestehenden Montagelinien zu nutzen, sagte Helms.
Um die dendritenunterdrückenden Eigenschaften des neuen PIM-Verbundelektrolyten zu demonstrieren, nutzte das Helms-Team Röntgenstrahlen an der Advanced Light Source des Berkeley-Labors, um 3D-Bilder der Grenzfläche zwischen Lithiummetall und dem Elektrolyten zu erstellen und die Lithiumplattierung und das Stripping für bis zu 16 Stunden bei hohem Strom zu visualisieren. Bei Vorhandensein des neuen PIM-Verbundelektrolyten wurde ein kontinuierliches glattes Wachstum von Lithium beobachtet, während die Grenzfläche in Abwesenheit des neuen PIM-Verbundelektrolyten verräterische Anzeichen der frühen Phasen des dendritischen Wachstums zeigte.
Diese und andere Daten bestätigten die Vorhersagen eines neuen physikalischen Modells für die galvanische Abscheidung von Lithiummetall, das sowohl die chemischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Festelektrolyte berücksichtigt.
"Im Jahr 2017, als die herkömmliche Weisheit lautete, dass man einen harten Elektrolyten benötigt, schlugen wir vor, dass ein neuer Dendritenunterdrückungsmechanismus mit einem weichen Festelektrolyten möglich ist", sagte Co-Autor Venkat Viswanathan, ein außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Fakultätsstipendiat am Scott Institute for Energy Innovation an der Carnegie Mellon University, der die theoretischen Studien für die Arbeit leitete. "Es ist erstaunlich, eine materielle Umsetzung dieses Ansatzes mit PIM-Verbundwerkstoffen zu finden", sagte Venkat Viswanathan.
Ein Preisträger im Rahmen des IONICS-Programms der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), 24M Technologies, hat diese Materialien in Batterien größeren Formats sowohl für EVs als auch für eVTOL-Flugzeuge (elektrische Senkrechtstarter und -lander) integriert.
"Während es für EVs und eVTOLs einzigartige Leistungsanforderungen gibt, scheint die PIM-Verbundfestelektrolyttechnologie vielseitig und bei hoher Leistung möglich zu sein", sagte Helms.
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