Röntgenstrahlen enthüllen die schwer fassbare Chemie für bessere EV-Batterien

Forscher bringen Licht in die Chemie der Interphase

08.12.2022 - USA

Forscher auf der ganzen Welt arbeiten daran, einen Engpass bei der Revolution für saubere Energie zu beseitigen: Batterien. Von Elektrofahrzeugen bis hin zur Energiespeicherung in erneuerbaren Netzen sind Batterien das Herzstück der wichtigsten umweltfreundlichen Innovationen der Gesellschaft - aber sie müssen mehr Energie speichern, damit diese Technologien weit verbreitet und praktisch sind.

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Chemikern des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) die komplexen chemischen Mechanismen einer Batteriekomponente entschlüsselt, die für die Erhöhung der Energiedichte entscheidend ist: die Interphase. Ihre Arbeit wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Das Battery500-Konsortium des DOE konzentriert sich auf Lithium-Metall-Anoden

Viele elektronische Geräte, darunter Smartphones und sogar Elektrofahrzeuge, werden derzeit mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien betrieben. Während Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Effizienz und langen Lebensdauer weit verbreitet sind, stehen diese Batterien bei anspruchsvolleren Anwendungen wie dem Antrieb von Elektrofahrzeugen über lange Strecken vor Herausforderungen.

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Um eine bessere Batterie für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, haben Forscher mehrerer nationaler Laboratorien und vom DOE geförderter Universitäten ein Konsortium namens Battery500 gegründet. Unter der Leitung des PNNL zielt das Konsortium darauf ab, Batteriezellen mit einer Energiedichte von 500 Wattstunden pro Kilogramm herzustellen - mehr als das Doppelte der Energiedichte heutiger moderner Batterien. Zu diesem Zweck konzentriert sich das Team auf Lithium-Metall-Batterien. Während Lithium-Ionen-Batterien auf Graphitanoden beruhen, verwenden diese Batterien Lithiummetallanoden.

Lithium-Metall-Anoden bieten eine viel höhere Energiedichte als Graphit-Anoden, aber es gibt auch Kompromisse. Eine der größten Herausforderungen für die Wissenschaftler besteht darin, einen Weg zu finden, die Anode beim Laden und Entladen der Batterie zu stabilisieren.

Auf der Suche nach einer solchen Methode führten Wissenschaftler des Brookhaven Lab und des PNNL eine eingehende Studie über die Festkörper-Elektrolyt-Interphase von Lithium-Metall-Batterien durch. Die Interphase ist eine chemische Schicht, die sich zwischen der Anode und dem Elektrolyten bildet, wenn eine Batterie geladen und entladen wird. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Interphase der Schlüssel zur Stabilisierung von Lithium-Metall-Batterien ist, aber es handelt sich um eine sehr empfindliche Probe mit verworrenen chemischen Zusammenhängen, die es schwierig machen, sie zu untersuchen und daher auch nicht vollständig zu verstehen.

"Die Interphase beeinflusst die Zyklierbarkeit der gesamten Batterie. Es ist ein sehr wichtiges, aber schwer zu fassendes System", sagte der Brookhavener Chemiker Enyuan Hu, der die Studie leitete. "Viele Techniken können diese kleine, empfindliche Probe beschädigen, die außerdem sowohl kristalline als auch amorphe Phasen aufweist.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat viele Studien mit einer Vielzahl von experimentellen Techniken, einschließlich der Kryo-Elektronenmikroskopie, durchgeführt, um die Interphase besser zu verstehen, aber das Bild ist noch weit davon entfernt, klar und vollständig zu sein.

"Ein umfassendes Verständnis der Interphase bildet die Grundlage für den Aufbau einer effektiven Interphase", sagte der PNNL-Wissenschaftler Xia Cao, der die Studie mitleitete und die Entwicklung des Elektrolyten leitete. "Das Battery500-Konsortium fördert nachdrücklich die Zusammenarbeit. Wir haben bei vielen wissenschaftlichen Projekten eng mit dem Brookhaven Lab zusammengearbeitet, insbesondere beim Verständnis der Interphase."

Um tiefer in die komplexe und schwer fassbare Chemie der Interphase einzutauchen, wandte sich das Team an die National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), ein einzigartiges Gerät.

NSLS-II bringt Licht in die Chemie der Interphase

Die NSLS-II ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Brookhaven Lab, die ultrahelle Röntgenstrahlen zur Untersuchung des atomaren Aufbaus von Materialien erzeugt. Hu und seine Kollegen nutzen bereits seit vielen Jahren die fortschrittlichen Möglichkeiten der Röntgenpulverbeugungsanlage (X-ray Powder Diffraction, XPD) am NSLS-II, um neue Entdeckungen in der Batteriechemie zu machen. Aufbauend auf seinen früheren Erfolgen kehrte das Team zu XPD zurück, um seine bisher genauesten Erkenntnisse über die Interphase zu sammeln.

"Wir haben bereits entdeckt, dass hochenergetische Synchrotron-Röntgenstrahlen die Interphasenprobe nicht beschädigen", sagte Hu. "Dies ist sehr wichtig, da eine der größten Herausforderungen bei der Charakterisierung der Interphase darin besteht, dass die Proben sehr empfindlich auf andere Arten von Strahlung, einschließlich niederenergetischer Röntgenstrahlung, reagieren. In dieser Arbeit nutzten wir zwei Techniken, die hochenergetische Röntgenstrahlung verwenden, nämlich die Röntgenbeugung und die Analyse der Paarverteilungsfunktion, um die chemischen Eigenschaften sowohl der kristallinen als auch der amorphen Phasen in der Lithium-Metall-Anoden-Interphase zu erfassen."

Nach 50 Zyklen einer Lithium-Metall-Batterie und der Entnahme einer ausreichenden Interphasenprobe zerlegte das Team die Zelle, kratzte eine Spur des Interphasenpulvers von der Oberfläche des Lithiummetalls ab und richtete die hochenergetischen Röntgenstrahlen von XPD auf die Probe, um ihre verworrene Chemie zu enthüllen.

"Das XPD ist eines der wenigen Strahlrohre der Welt, an dem diese Forschung durchgeführt werden kann", sagte Sanjit Ghose, leitender Wissenschaftler am XPD und Mitautor der Studie. "Die Beamline bot drei Vorteile für diese Arbeit: einen kleinen Absorptionsquerschnitt, der die Probe weniger beschädigt; kombinierte Techniken, Röntgenbeugung, um die Phaseninformation und die Paarverteilungsfunktion für echte Rauminformationen zu erhalten; und einen Strahl mit hoher Intensität, um Qualitätsdaten aus einer Spurenprobe zu liefern."

Diese einzigartige Kombination fortschrittlicher Röntgentechniken lieferte dem Team eine detaillierte chemische Karte der Interphasenkomponenten - ihre Ursprünge, Funktionalitäten, Wechselwirkungen und Entwicklungen.

"Wir haben uns auf drei verschiedene Komponenten der Interphase konzentriert", sagt der Brookhavener Postdoc Sha Tan, Erstautor der Studie. "Die erste war Lithiumhydrid und sein Bildungsmechanismus. Wir haben schon früher entdeckt, dass Lithiumhydrid in der Interphase vorhanden ist, und dieses Mal haben wir die Wasserstoffquelle identifiziert."

Insbesondere stellte das Team fest, dass Lithiumhydroxid, das in der Lithiummetallanode vorkommt, wahrscheinlich zur Bildung von Lithiumhydrid beiträgt. Die Kontrolle der Zusammensetzung dieser Verbindung wird den Wissenschaftlern helfen, eine verbesserte Zwischenphase mit der höchstmöglichen Leistung zu entwickeln.

"Zweitens untersuchten wir Lithiumfluorid, das für die elektrochemische Leistung sehr wichtig ist, und fanden heraus, dass es in großem Umfang in Elektrolyten mit niedriger Konzentration gebildet werden kann", so Tan.

Bisher glaubten die Wissenschaftler, dass Lithiumfluorid nur in Elektrolyten mit hoher Konzentration gebildet werden kann, die auf teure Salze angewiesen sind. Die Arbeit liefert somit den Beweis, dass Elektrolyte mit niedriger Konzentration, die kostengünstiger sind, in diesen Batteriesystemen potenziell gut funktionieren können.

"Drittens haben wir uns Lithiumhydroxid angesehen, um zu verstehen, wie es während des Batteriezyklus verbraucht wird. Dies sind alles sehr neue Erkenntnisse und wichtig für das Verständnis der Zwischenphase."

Zusammengenommen tragen diese Ergebnisse dazu bei, ein Licht auf bisher übersehene Komponenten der Interphase zu werfen, und werden ein genaueres und kontrollierbares Interphasendesign für Lithium-Metall-Batterien ermöglichen.

Auch in Zukunft wird das Team weitere Studien zum Battery500-Konsortium beisteuern. Battery500 befindet sich derzeit in seiner zweiten Phase, die bis 2026 andauern wird.

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