Kein Spiel mit dem Feuer mehr: Studie bietet Einblick in 'sicherere' wiederaufladbare Batterien

Forscher wenden eine neue Technik an, um zu zeigen, wie sich Dendriten in wiederaufladbaren Batterien bilden

25.08.2020 - Japan

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind ein gebräuchlicher Typ von wiederaufladbaren Batterien. Ihre Vielseitigkeit und ihre zahlreichen Anwendungen in allen Arten von elektronischen Geräten - von Mobiltelefonen bis hin zu Autos - lassen sie zu schön erscheinen, um wahr zu sein. Und vielleicht sind sie es auch: In letzter Zeit hat die Zahl der mit LIBs verbundenen Brandunfälle, insbesondere während des Ladevorgangs, zugenommen, was zu ernsthaften Bedenken hinsichtlich ihrer Sicherheit führt. Wissenschaftler wissen jetzt, dass diese Vorfälle auf die Verwendung eines kaputten oder nicht zugelassenen Ladegeräts zurückzuführen sein können. Häufig kann die unsachgemäße Verwendung dieser Ladegeräte und das Überladen zur Bildung von stacheligen Strukturen auf der negativen Elektrode der Batterie, so genannten "Lithium (Li)-Dendriten", führen, die die Barriere zwischen der negativen und der positiven Elektrode durchdringen und einen Kurzschluss verursachen. Daher ist es für die Verbesserung der Sicherheit von LIBs von entscheidender Bedeutung, genau zu untersuchen, wie die Dendritenbildung erfolgt.

Wissenschaftler der Universität Okayama unter der Leitung von Associate Professor Kazuma Gotoh haben vor kurzem in einer neuen Studie, die im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht wurde, einen Schritt in diese Richtung unternommen. Sie haben sich damit befasst, den genauen Mechanismus der Dendritenbildung in LIBs zu finden, um ihre Grenzen zu überwinden und ihre praktische Anwendung zu erleichtern. Dr. Gotoh erklärt: "Wir wollten die Bildung von Metalldendriten in sekundären (wiederaufladbaren) Batterien analysieren und dazu beitragen, die Sicherheit von Batterien zu verbessern".

Frühere Studien, die versuchten, den Prozess der Li-Dendritenbildung zu verstehen, waren bis zu einem gewissen Grad erfolgreich: Sie zeigten, dass die Dendritenbildung in der "Überlithierungs"-Phase des Batteriezyklus auftritt, wenn sich die Batterie in einem überladenen Zustand befindet. Diese Experimente wurden jedoch ex situ (ausserhalb der eigentlichen elektrochemischen Umgebung) durchgeführt, so dass der genaue Zeitpunkt des Beginns der Dendritenbildung nicht gefunden wurde. In ihrer neuen Studie beschlossen Dr. Gotoh und sein Team, diese Einschränkung zu überwinden. Sie stellten fest, dass sie durch die Anwendung von "operando"-Methoden (die die elektrochemische Umgebung replizieren) auf eine analytische Technik namens "kernmagnetische Resonanz" (NMR) die Li-Atome in der inneren Struktur von Materialien genau verfolgen können, was mit Ex-situ-Methoden nicht möglich ist.

Mit dieser Technik war es dem Team zuvor gelungen, die überladenen Zustände von zwei Arten negativer Elektroden - Graphit- und Hartkohleelektroden - in der Überlithierungsphase eines LIB zu beobachten. In der neuen Studie führten sie dies auf die nächste Stufe, indem sie den Zustand dieser Elektroden während des Lithiations- und Delithierungsprozesses (dem "Lade- und Entlade"-Zyklus der Batterie) beobachteten. Ihre NMR-Analyse half ihnen, den genauen Zeitpunkt des Beginns der Dendritenbildung und der Li-Abscheidung in der überladenen Batterie zu verfolgen, und zwar sowohl für die Graphit- als auch für die Hartkohleelektroden. Im Graphit stellten sie fest, dass sich die Li-Dendriten bald nach dem Auftreten der "vollständig lithiierten" Phase der Elektrode bilden. Bei der Hartkohlenstoffelektrode - im Gegensatz dazu - beobachteten sie, dass die Dendriten sich erst nach dem Auftreten von "quasimetallischen" Li-Clustern in den Poren des Hartkohlenstoffs bilden. Daraus schlossen die Wissenschaftler, dass bei einer Überladung der Batterie die quasimetallische Li-Cluster-Bildung als Puffer für die Bildung von Li-Dendriten in Hartkohlenstoffelektroden wirkt. Sie wendeten dieselbe Analyse sogar auf einen anderen Typ wiederaufladbarer Batterien, die so genannte Natrium-Ionen-Batterie (NIB), an und kamen zu ähnlichen Ergebnissen. Dr. Gotoh erklärt: "Wir fanden heraus, dass einige Kohlenstoffmaterialien mit inneren Poren (wie amorpher Kohlenstoff) einen Puffereffekt für die Ablagerung von Li- und Na-Dendriten während des Überladens von Batterien haben. Dieses Wissen wird eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit von LIBs und NIBs spielen".

Indem sie die Feinheiten der Dendritenbildungsmechanismen in LIBs und NIBs aufdecken, geben Dr. Gotoh und sein Team einen nützlichen Einblick in deren Sicherheit. Tatsächlich sind die Wissenschaftler optimistisch, dass ihre Erkenntnisse in Zukunft auf andere Arten von wiederaufladbaren Batterien übertragen werden können. Dr. Gotoh schliesst: "Unsere Erkenntnisse lassen sich nicht nur auf LIBs und NIBs, sondern auch auf Sekundärbatterien der nächsten Generation, wie z.B. alle Festkörperbatterien, anwenden. Dies ist ein wichtiger Schritt, um ihre praktische Anwendung zu erleichtern", so Dr. Gotoh abschließend.

Mit den Ergebnissen dieser neuen Studie können wir hoffen, dass wir möglicherweise der Verwirklichung unseres Traums von wirklich nachhaltigen Energieressourcen einen Schritt näher gekommen sind.

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Originalveröffentlichung

Kazuma Gotoh et al.; "Mechanisms for overcharging of carbon electrodes in lithium-ion/sodium-ion batteries analysed by operando solid-state NMR"; Journal of Materials Chemistry A; 2020

https://www.chemie.de/news/1167699/kein-spiel-mit-dem-feuer-mehr-studie-bietet-einblick-in-sicherere-wiederaufladbare-batterien.html

Originalveröffentlichung

Kazuma Gotoh et al.; "Mechanisms for overcharging of carbon electrodes in lithium-ion/sodium-ion batteries analysed by operando solid-state NMR"; Journal of Materials Chemistry A; 2020

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