Forscher lösen ein Rätsel auf dem Weg zu kleineren, leichteren Batterien

Verzweigte Metallfäden können die Leistung von Lithium-Festkörperbatterien beeinträchtigen

22.11.2022 - USA

Eine Entdeckung von MIT-Forschern könnte endlich die Tür zur Entwicklung einer neuen Art von wiederaufladbaren Lithiumbatterien öffnen, die leichter, kompakter und sicherer sind als die derzeitigen Versionen und an denen Labore in aller Welt seit Jahren arbeiten.

Der Schlüssel zu diesem potenziellen Sprung in der Batterietechnologie besteht darin, den flüssigen Elektrolyten, der sich zwischen der positiven und negativen Elektrode befindet, durch eine viel dünnere und leichtere Schicht aus festem Keramikmaterial zu ersetzen und eine der Elektroden durch festes Lithiummetall zu ersetzen. Dies würde die Gesamtgröße und das Gewicht der Batterie erheblich verringern und das mit flüssigen Elektrolyten verbundene Sicherheitsrisiko beseitigen, da diese entflammbar sind. Bei dieser Suche gab es jedoch ein großes Problem: Dendriten.

Dendriten, deren Name vom lateinischen Wort für Äste abgeleitet ist, sind Vorsprünge aus Metall, die sich auf der Lithiumoberfläche ablagern und in den Festelektrolyten eindringen können, so dass sie schließlich von einer Elektrode zur anderen übergehen und die Batteriezelle kurzschließen. Bisher waren sich die Forscher nicht einig, wie diese Metallfäden entstehen, und es gab auch keine großen Fortschritte bei der Frage, wie man sie verhindern und damit leichte Festkörperbatterien zu einer praktischen Option machen kann.

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Die neuen Forschungsergebnisse, die heute in der Zeitschrift Joule in einer Arbeit von MIT-Professor Yet-Ming Chiang, dem Doktoranden Cole Fincher und fünf weiteren Forschern des MIT und der Brown University veröffentlicht werden, scheinen die Frage nach den Ursachen der Dendritenbildung zu klären. Sie zeigt auch, wie Dendriten daran gehindert werden können, den Elektrolyten zu durchqueren.

Laut Chiang hat die Gruppe bei früheren Arbeiten eine "überraschende und unerwartete" Entdeckung gemacht, nämlich dass das harte, feste Elektrolytmaterial, das für eine Festkörperbatterie verwendet wird, während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie von Lithium, einem sehr weichen Metall, durchdrungen werden kann, da sich Lithiumionen zwischen den beiden Seiten bewegen.

Durch dieses Hin- und Herpendeln der Ionen verändert sich das Volumen der Elektroden. Dies führt unweigerlich zu Spannungen im Festelektrolyten, der mit beiden Elektroden, zwischen denen er eingebettet ist, vollständig in Kontakt bleiben muss. "Um das Metall abzuscheiden, muss sich das Volumen ausdehnen, weil man neue Masse hinzufügt", sagt Chiang. "Auf der Seite der Zelle, auf der das Lithium abgeschieden wird, vergrößert sich also das Volumen. Und wenn auch nur mikroskopisch kleine Fehler vorhanden sind, erzeugt dies einen Druck auf diese Fehler, der zu Rissen führen kann."

Diese Spannungen, so hat das Team nun gezeigt, verursachen die Risse, die die Bildung von Dendriten ermöglichen. Die Lösung des Problems besteht in mehr Stress, der in der richtigen Richtung und mit der richtigen Kraft angewendet wird.

Während einige Forscher bisher davon ausgingen, dass sich Dendriten durch einen rein elektrochemischen und nicht durch einen mechanischen Prozess bilden, zeigen die Experimente des Teams, dass es mechanische Spannungen sind, die das Problem verursachen.

Da der Prozess der Dendritenbildung normalerweise tief im Inneren der undurchsichtigen Materialien der Batteriezelle stattfindet und nicht direkt beobachtet werden kann, entwickelte Fincher eine Methode zur Herstellung dünner Zellen unter Verwendung eines transparenten Elektrolyten, mit der der gesamte Prozess direkt beobachtet und aufgezeichnet werden kann. "Man kann sehen, was passiert, wenn man das System zusammendrückt, und man kann sehen, ob sich die Dendriten in einer Weise verhalten, die einem Korrosionsprozess oder einem Bruchprozess entspricht", sagt er.

Das Team hat gezeigt, dass es das Wachstum der Dendriten direkt beeinflussen kann, indem es einfach Druck ausübt und wieder ablässt, wodurch die Dendriten in perfekter Ausrichtung mit der Richtung der Kraft zickzackförmig laufen.

Durch die Anwendung mechanischer Spannungen auf den Festelektrolyten wird die Bildung von Dendriten nicht verhindert, aber die Richtung ihres Wachstums wird gesteuert. Das heißt, sie können so ausgerichtet werden, dass sie parallel zu den beiden Elektroden bleiben und nicht auf die andere Seite übertreten können, wodurch sie unschädlich gemacht werden.

Bei ihren Tests verwendeten die Forscher den Druck, der durch die Biegung des Materials erzeugt wird, das zu einem Balken mit einem Gewicht an einem Ende geformt wurde. In der Praxis, so die Forscher, gäbe es jedoch viele verschiedene Möglichkeiten, die erforderliche Spannung zu erzeugen. So könnte der Elektrolyt beispielsweise aus zwei Materialschichten bestehen, die eine unterschiedliche Wärmeausdehnung aufweisen, so dass sich das Material von sich aus biegt, wie dies bei einigen Thermostaten der Fall ist.

Ein anderer Ansatz wäre, das Material mit Atomen zu "dotieren", die sich darin einbetten, es verformen und in einem dauerhaft gespannten Zustand belassen. Dies ist die gleiche Methode, die zur Herstellung des superharten Glases verwendet wird, das in den Bildschirmen von Smartphones und Tablets zum Einsatz kommt, erklärt Chiang. Und der benötigte Druck ist nicht extrem: Die Experimente zeigten, dass ein Druck von 150 bis 200 Megapascal ausreicht, um die Dendriten daran zu hindern, den Elektrolyten zu durchqueren.

Der erforderliche Druck entspricht den Belastungen, die bei kommerziellen Filmwachstumsverfahren und vielen anderen Herstellungsprozessen üblicherweise auftreten", so dass die praktische Umsetzung nicht schwierig sein dürfte, fügt Fincher hinzu.

Tatsächlich wird eine andere Art von Spannung, der so genannte Stapeldruck, häufig auf Batteriezellen angewandt, indem das Material im Wesentlichen in der Richtung senkrecht zu den Batterieplatten zusammengedrückt wird - ähnlich wie beim Zusammendrücken eines Sandwichs durch Auflegen eines Gewichts. Man dachte, dass dies dazu beitragen könnte, die Trennung der Schichten zu verhindern. Die Experimente haben nun aber gezeigt, dass der Druck in dieser Richtung die Dendritenbildung sogar noch verstärkt. "Wir haben gezeigt, dass diese Art von Stapeldruck das durch Dendriten verursachte Versagen beschleunigt", sagt Fincher.

Erforderlich ist stattdessen ein Druck in der Ebene der Platten, so als ob das Sandwich von den Seiten her zusammengedrückt würde. "Was wir in dieser Arbeit gezeigt haben, ist, dass man die Dendriten zwingen kann, sich in die Richtung der Kompression zu bewegen, wenn man eine Druckkraft anwendet", sagt Fincher, und wenn diese Richtung entlang der Ebene der Platten verläuft, werden die Dendriten niemals auf die andere Seite gelangen.

Damit könnte es endlich möglich sein, Batterien mit festen Elektrolyten und metallischen Lithiumelektroden herzustellen. Diese würden nicht nur mehr Energie in ein bestimmtes Volumen und Gewicht packen, sondern auch flüssige Elektrolyte überflüssig machen, bei denen es sich um brennbare Materialien handelt.

Nachdem das Team die grundlegenden Prinzipien demonstriert hat, wird es in einem nächsten Schritt versuchen, diese auf die Herstellung eines funktionalen Batterieprototyps anzuwenden, sagt Chiang. Obwohl sie ein Patent angemeldet haben, planen die Forscher nicht, das System selbst zu vermarkten, sagt er, da es bereits Unternehmen gibt, die an der Entwicklung von Festkörperbatterien arbeiten. "Ich würde sagen, dass dies ein Verständnis der Fehlermodi in Festkörperbatterien ist, von dem wir glauben, dass die Industrie sich dessen bewusst sein muss und versuchen sollte, es für die Entwicklung besserer Produkte zu nutzen", sagt er.

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