Aufbürsten dünner Filme auf Elektroden schont Batterien

Ein bisschen Bürsten könnte das Geheimnis für die Herstellung besserer wiederaufladbarer Lithiumbatterien sein

31.08.2022 - USA

Das Labor des Chemikers James Tour an der Rice University hat eine Technik entwickelt, mit der die Oberfläche von Anoden für Batterien durch einfaches Einbürsten von Pulvern optimiert werden kann. Das Pulver haftet an der Anode und wird zu einer dünnen, lithiumhaltigen Beschichtung, die die Bildung von schädlichen Dendriten wirksam verhindert.

Ein Pulver aus Phosphor und Schwefel, das in die Oberfläche einer Lithium-Metall-Folie gemahlen wird, hat gezeigt, dass die Oberflächenenergie ohne giftige Lösungsmittel eingestellt werden kann. So modifizierte Anoden, die in Testzellen mit Lithium-Eisen-Phosphat-Oxid-Kathoden kombiniert wurden, behielten nach 340 Lade-/Entladezyklen eine um 70 % höhere Kapazität als handelsübliche Batterien.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

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"Dies würde die Herstellung von Batterien mit hoher Kapazität vereinfachen und sie gleichzeitig erheblich verbessern", so Tour. "Durch das Einschleifen dieser pulverförmigen Feststoffe in eine Lithium-Metall-Anode wird die Bildung von Dendriten, die einen Kurzschluss in einer Batterie verursachen können, sowie der beschleunigte Verbrauch der Materialien drastisch reduziert".

Der Hauptautor und Rice-Diplomstudent Weiyin Chen und seine Laborkollegen haben sich die Mühe gemacht, eine Reihe von Pulverkandidaten auf ihren Elektroden zu testen. Zunächst bürsteten sie die Oberfläche, um ihr eine Textur zu geben, dann brachten sie das Pulver auf, um den feinen Film zu erzeugen, der mit dem Lithiummetall reagiert und eine feste Passivierungsschicht bildet.

Chen und sein Mitautor Rodrigo Salvatierra, ein ehemaliger Postdoktorand und jetziger akademischer Gast im Labor von Tour, konstruierten Testbatterien und stellten fest, dass die behandelten Anoden die ultraniedrige Polarisierung - eine weitere schädliche Eigenschaft von Lithium-Ionen-Batterien - mehr als 4.000 Stunden lang beibehielten, etwa achtmal länger als blanke Lithiumanoden.

Tour sagte, dass die Pulver die Oberflächenenergie der Elektroden effektiv abstimmen, was zu einem gleichmäßigeren Verhalten des gesamten Materials führt.

"Dadurch entsteht eine Metallverbundoberfläche, die den Verlust von Lithiummetall aus der Anode verhindert, ein häufiges Problem bei Lithiummetallbatterien", so Tour. "Lithium-Metall-Batterien übertreffen die Kapazität herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien bei weitem, aber das Lithium-Metall lässt sich oft nur schwer wieder aufladen."

"Das Pulver auf der Oberfläche des Lithiummetalls erzeugt eine künstliche Passivierungsschicht, die die Stabilität während der Lade- und Entladezyklen verbessert", so Chen. "Mit dieser Aufpinselmethode wird die Metalloberfläche stabilisiert, so dass sie sicher wieder aufgeladen werden kann."

Um zu zeigen, dass die Technik eine breitere Anwendung finden kann, mahlte das Labor auch Pulver in eine Natriumelektrode und stellte fest, dass das Verfahren die Überspannung dieser Elektrode erheblich stabilisierte.

Die Studie deckt sich mit der jüngsten Entdeckung von Tour und dem Rice-Maschinenbauingenieur C. Fred Higgs III, dass das Einschleifen bestimmter Pulver in Oberflächen diese superhydrophob, d. h. äußerst wasserabweisend, machen kann.

Mitautoren der Studie sind die ehemaligen Rice-Mitarbeiter John Li und Duy Luong, die Doktoranden Jacob Beckham, Nghi La und Jianan Xu sowie der akademische Besucher Victor Li. Tour ist Inhaber des T.T. und W.F. Chao-Lehrstuhls für Chemie sowie Professor für Informatik, Materialwissenschaft und Nanotechnik an der Universität Rice.

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