Erste Nahaufnahmen, wie eine Lithium-Metall-Elektrode altert

Prozess untersucht, der dazu führt, dass diese Batterien der nächsten Generation ihre Ladung - und möglicherweise einen Teil ihrer Energiespeicherkapazität - verlieren, selbst wenn ein Gerät ausgeschaltet ist

26.03.2021 - USA

Der gleiche Prozess, der den Akku Ihres Mobiltelefons entleert, selbst wenn es ausgeschaltet ist, ist ein noch größeres Problem für Lithium-Metall-Batterien, die für die nächste Generation kleinerer, leichterer elektronischer Geräte, weitreichender Elektrofahrzeuge und anderer Anwendungen entwickelt werden.

Jetzt haben Wissenschaftler der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums zum ersten Mal auf atomarer Ebene untersucht, wie dieser Prozess, der als "Kalenderalterung" bezeichnet wird, Lithium-Metall-Anoden oder negative Elektroden angreift. Sie entdeckten, dass die Beschaffenheit des Batterieelektrolyten, der die Ladung zwischen den Elektroden transportiert, einen großen Einfluss auf die Alterung hat - ein Faktor, der bei der Entwicklung von Elektrolyten, die die Leistung einer Batterie maximieren, berücksichtigt werden muss.

Die Studie zeigte auch, dass die Kalenderalterung 2-3 % der Ladung einer Lithium-Metall-Batterie in nur 24 Stunden abziehen kann - ein Verlust, der bei einer Lithium-Ionen-Batterie drei Jahre dauern würde. Obwohl sich dieser Ladungsabfluss mit der Zeit verlangsamt, summiert er sich schnell und kann die Lebensdauer der Batterie um 25% reduzieren.

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"Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass der Elektrolyt einen großen Unterschied in der Stabilität von Speicherbatterien ausmachen kann", sagte SLAC- und Stanford-Professor Yi Cui, der die Studie zusammen mit Stanford-Professor Zhenan Bao leitete. "Das ist etwas, mit dem man sich bisher nicht wirklich beschäftigt hat, um zu verstehen, was da vor sich geht."

Leichtere Batterien für weitreichende Autos

Wie die heutigen Lithium-Ionen-Batterien verwenden auch Lithium-Metall-Batterien Lithium-Ionen, um die Ladung zwischen den Elektroden hin und her zu transportieren. Aber wo Lithium-Ionen-Batterien Anoden aus Graphit haben, haben Lithium-Metall-Batterien Anoden aus Lithium-Metall, das viel leichter ist und das Potenzial hat, viel mehr Energie für ein bestimmtes Volumen und Gewicht zu speichern. Dies ist besonders wichtig für Elektrofahrzeuge, die viel Energie aufwenden, um ihre schweren Batterien mit sich herumzuschleppen. Ein geringeres Gewicht könnte die Kosten senken und die Reichweite erhöhen, was die Fahrzeuge für den Verbraucher attraktiver macht.

Das Battery 500 Consortium des DOE, zu dem auch SLAC und Stanford gehören, hat sich zum Ziel gesetzt, Lithium-Metall-Batterien für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, die fast dreimal so viel Ladung pro Gewichtseinheit speichern können wie die heutigen EV-Batterien. Obwohl sie bei der Erhöhung der Energiedichte und der Lebensdauer dieser Batterien bereits große Fortschritte gemacht haben, liegt noch ein weiter Weg vor ihnen. Sie kämpfen auch mit dem Problem der Dendriten, fingerähnliche Wucherungen auf der Anode, die einen Kurzschluss in der Batterie verursachen und Feuer fangen können.

In den letzten Jahren haben Bao und Cui, die am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences am SLAC forschen, gemeinsam an Lösungen für diese Probleme gearbeitet, darunter eine neue Beschichtung, die das Wachstum von Dendriten auf Lithium-Metall-Anoden verhindert, und ein neuer Elektrolyt, der ebenfalls das Wachstum von Dendriten verhindert.

Die meisten dieser Studien haben sich auf die Minimierung von Schäden konzentriert, die durch wiederholtes Laden und Entladen verursacht werden, was die Elektroden belastet und rissig macht und die Lebensdauer der Batterie begrenzt, sagte David Boyle, ein Doktorand in Cuis Labor.

Aber in dieser Studie wollte das Team eine Vielzahl von Elektrolyten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen testen, um ein allgemeines Bild davon zu erhalten, wie Lithium-Metall-Anoden altern.

Aggressive Korrosion

Zunächst maß Boyle die Ladeeffizienz von Lithium-Metall-Batterien mit verschiedenen Arten von Elektrolyten. Dann zerlegten er und sein Kommilitone William Huang vorsichtig Batterien, die voll aufgeladen und einen Tag lang stehen gelassen worden waren, entfernten die Anode und froren sie in flüssigem Stickstoff ein, um ihre Struktur und Chemie an einem bestimmten Punkt des kalendarischen Alterungsprozesses zu erhalten.

Als nächstes untersuchte Huang die Anoden mit einem kryogenen Elektronenmikroskop (Cryo-EM) auf dem Stanford-Campus, um zu sehen, wie die verschiedenen Elektrolyte die Anode auf nahezu atomarer Ebene beeinflussen. Mit diesem Ansatz hat Cuis Gruppe vor einigen Jahren Pionierarbeit geleistet, um das Innenleben von Batteriekomponenten zu untersuchen.

In den heutigen Lithium-Ionen-Batterien korrodiert der Elektrolyt die Oberfläche der Anode, wodurch eine Schicht entsteht, die als Festkörper-Elektrolyt-Interphase (SEI) bezeichnet wird. Diese Schicht ist sowohl Jekyll als auch Hyde: Sie verbraucht einen kleinen Teil der Batteriekapazität, aber sie schützt die Anode auch vor weiterer Korrosion. Unterm Strich ist eine glatte, stabile SEI-Schicht also gut für die Funktion der Batterie.

Aber in Lithium-Metall-Batterien wird jedes Mal, wenn die Batterie geladen wird, eine dünne Schicht Lithium-Metall auf der Oberfläche der Anode abgelagert, und diese Schicht bietet eine frische Oberfläche für Korrosion während der Kalenderalterung. Darüber hinaus "fanden wir ein viel aggressiveres Wachstum der SEI-Schicht auf diesen Anoden aufgrund aggressiverer chemischer Reaktionen mit dem Elektrolyten", sagte Huang.

Jeder getestete Elektrolyt führte zu einem ausgeprägten Muster des SEI-Wachstums, wobei einige Klumpen, Filme oder beides bildeten, und diese unregelmäßigen Wachstumsmuster wurden mit schnellerer Korrosion und einem Verlust der Ladeeffizienz in Verbindung gebracht.

Ein Gleichgewicht finden

Entgegen den Erwartungen waren Elektrolyte, die ansonsten eine hocheffiziente Aufladung unterstützen würden, genauso anfällig für Effizienzverluste aufgrund von Kalenderalterung wie schlecht funktionierende Elektrolyte, sagte Cui. Es gab nicht die eine Elektrolytchemie, die beides gut machte.

Um also die kalendarische Alterung zu minimieren, besteht die Herausforderung darin, sowohl die korrosive Natur des Elektrolyten als auch das Ausmaß des Lithiummetalls auf der Anodenoberfläche zu minimieren, das es angreifen kann.

"Was wirklich wichtig ist, ist, dass dies uns eine neue Möglichkeit gibt, zu untersuchen, welche Elektrolyte am vielversprechendsten sind", sagte Bao. "Es zeigt ein neues Kriterium für das Elektrolytdesign auf, um die Parameter zu erreichen, die wir für die nächste Generation der Batterietechnologie benötigen."

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