Wissenschaftler reduzieren den Widerstand von Festkörperbatterien durch Erhitzen

Wertvolle Einblicke in die Herstellung leistungsfähiger Festkörperbatterien

11.01.2022 - Japan

Festkörperbatterien sind nun einen Schritt näher daran, das Kraftwerk der Elektronik der nächsten Generation zu werden, da Forscher der Tokyo Tech, der AIST und der Yamagata University eine Strategie zur Wiederherstellung ihres geringen elektrischen Widerstands vorstellen. Außerdem erforschen sie den zugrundeliegenden Reduktionsmechanismus und ebnen damit den Weg für ein grundlegenderes Verständnis der Funktionsweise von Festkörperbatterien.

Festkörperbatterien sind zum neuen Trend in der Materialwissenschaft und -technik geworden, da herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien nicht mehr den Anforderungen fortschrittlicher Technologien, wie z. B. Elektrofahrzeuge, entsprechen, die eine hohe Energiedichte, schnelles Aufladen und lange Zykluszeiten erfordern. Festkörperbatterien, die anstelle eines flüssigen Elektrolyten, wie er in herkömmlichen Batterien verwendet wird, einen festen Elektrolyten enthalten, erfüllen nicht nur diese Anforderungen, sondern sind auch vergleichsweise sicherer und bequemer, da sie in kurzer Zeit aufgeladen werden können.

Der Festelektrolyt bringt jedoch seine eigenen Herausforderungen mit sich. Es hat sich herausgestellt, dass die Grenzfläche zwischen der positiven Elektrode und dem Festelektrolyten einen großen elektrischen Widerstand aufweist, dessen Ursprung nicht genau bekannt ist. Außerdem erhöht sich der Widerstand, wenn die Elektrodenoberfläche der Luft ausgesetzt ist, was die Kapazität und Leistung der Batterie beeinträchtigt. Es wurden zwar mehrere Versuche unternommen, um den Widerstand zu verringern, doch ist es keinem gelungen, ihn auf 10 Ω cm2 (Ohm-Zentimeter-Quadrat) zu senken, den gemeldeten Wert für den Grenzflächenwiderstand, wenn er nicht der Luft ausgesetzt ist.

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In einer kürzlich in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlichten Studie hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Taro Hitosugi vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, und Shigeru Kobayashi, einem Doktoranden der Tokyo Tech, dieses Problem möglicherweise endlich gelöst. Durch die Entwicklung einer Strategie zur Wiederherstellung des niedrigen Grenzflächenwiderstands und die Entschlüsselung des Mechanismus, der dieser Verringerung zugrunde liegt, hat das Team wertvolle Erkenntnisse für die Herstellung von Hochleistungs-Festkörperbatterien gewonnen. Die Studie war das Ergebnis einer gemeinsamen Forschungsarbeit der Tokyo Tech, des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und der Yamagata University.

Zunächst stellte das Team Dünnschichtbatterien her, die aus einer negativen Lithiumelektrode, einer positiven LiCoO2-Elektrode und einem festen Li₃PO₄-Elektrolyten bestehen. Bevor das Team die Herstellung einer Batterie abschloss, setzte es die LiCoO₂-Oberfläche 30 Minuten lang Luft, Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂) und Wasserdampf (H₂O) aus.

Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass die Exposition gegenüber N₂, O₂, CO₂ und H₂ die Batterieleistung im Vergleich zu einer nicht exponierten Batterie nicht beeinträchtigte. "Nur H₂O-Dampf verschlechtert die Li₃PO₄-LiCoO₂-Grenzfläche stark und erhöht ihren Widerstand drastisch auf einen Wert, der mehr als zehnmal höher ist als der der nicht exponierten Grenzfläche", sagt Prof. Hitosugi.

Als Nächstes führte das Team einen Prozess namens "Annealing" durch, bei dem die Probe in Batterieform, d. h. mit der negativen Elektrode, eine Stunde lang einer Wärmebehandlung bei 150°C unterzogen wurde. Erstaunlicherweise reduzierte sich dadurch der Widerstand auf 10,3 Ω cm², vergleichbar mit dem der unbelichteten Batterie!

Durch numerische Simulationen und hochmoderne Messungen fand das Team heraus, dass diese Verringerung auf die spontane Entfernung von Protonen aus der LiCoO₂-Struktur während des Ausglühens zurückzuführen ist.

"Unsere Studie zeigt, dass Protonen in der LiCoO₂-Struktur eine wichtige Rolle im Erholungsprozess spielen. Wir hoffen, dass die Aufklärung dieser mikroskopischen Prozesse an der Grenzfläche dazu beitragen wird, das Anwendungspotenzial von Festkörperbatterien zu erweitern", schließt Prof. Hitosugi.

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Originalveröffentlichung

Shigeru Kobayashi et al.; "Drastic Reduction of the Solid Electrolyte–Electrode Interface Resistance via Annealing in Battery Form"; ACS Appl. Mater. Interfaces; 2022

https://www.chemie.de/news/1174244/wissenschaftler-reduzieren-den-widerstand-von-festkoerperbatterien-durch-erhitzen.html

Originalveröffentlichung

Shigeru Kobayashi et al.; "Drastic Reduction of the Solid Electrolyte–Electrode Interface Resistance via Annealing in Battery Form"; ACS Appl. Mater. Interfaces; 2022

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