Kontrollierbare 'Defekte' verbessern die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien

"Diese Technik öffnet sozusagen die Tür für Lithium-Ionen und erhöht damit die Stromkapazität"

10.02.2023 - USA

Eine neue Studie der North Carolina State University, die in Zusammenarbeit mit Forschern des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums durchgeführt wurde, zeigt, dass extrem kurze Impulse eines Hochleistungslasers winzige Defekte in Lithium-Ionen-Batteriematerialien verursachen können - Defekte, die die Batterieleistung verbessern können.

Die Technik, das so genannte Nanosekunden-Impulslaser-Glühen, dauert nur 100 Nanosekunden und wird mit demselben Lasertyp erzeugt, der auch bei modernen Augenoperationen verwendet wird. Die Forscher testeten die Technik an Graphit, einem Material, das häufig in Anoden von Lithium-Ionen-Batterien oder positiven Elektroden verwendet wird. Sie testeten die Technik in Chargen von 10 Pulsen und 80 Pulsen und verglichen die Unterschiede in der Stromkapazität; die Leistung wird durch Multiplikation von Spannung und Strom berechnet.

Lithium-Ionen-Batterien werden häufig in tragbaren elektronischen Geräten und Elektroautos eingesetzt. Mit weiteren Verbesserungen könnten diese Batterien einen großen Einfluss auf den Verkehr und als Speicher für erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne haben.

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Die Studie zeigte eine Reihe interessanter Ergebnisse, so Jay Narayan, Inhaber des John C. Fan Family Distinguished Chair in Materials Science an der NC State University und korrespondierender Autor einer Veröffentlichung, in der die Arbeit beschrieben wird. Narayan ist ein Pionier auf dem Gebiet der Verwendung von Lasern zur Erzeugung und Beeinflussung von Defekten in Halbleitern, an denen er seit mehr als vier Jahrzehnten arbeitet.

"Materialdefekte können ein Ärgernis sein, aber wenn man sie richtig konstruiert, kann man sie zu einem Vorteil machen", sagte er. "Diese Technik öffnet sozusagen die Tür für Lithium-Ionen und erhöht so die Stromkapazität. Graphitanoden bestehen aus Stufen und Rillen auf der Oberfläche - wenn man mehr Stufen schafft, ist das so, als ob man mehr Türen für Lithiumionen schafft, die hinein- und hinausgehen können, was von Vorteil ist.

"Die Technik erzeugt auch Defekte, so genannte Leerstellen, d. h. fehlende Atome, die dazu beitragen, dass mehr Lithiumionen ein- und austreten können, was wiederum mit der Stromkapazität zusammenhängt.

Die Stromkapazität stieg um 20 %, wenn die optimale Anzahl von Impulsen verwendet wurde, die eher bei 10 als bei 80 Impulsen lag.

Die Studie zeigt aber auch, dass zu viel des Guten auch schlecht sein kann, da zu viele Defekte in den Graphitanoden zu Problemen führen können.

"Lithium-Ionen haben eine positive Ladung, wenn sie also ein Elektron einfangen, werden sie zu Lithium-Metall, und das will man nicht", sagte Narayan. "Lithiummetall schießt winzige Drahtdendriten aus der Graphitanode heraus und kann ein Feuer verursachen. Man muss also sicherstellen, dass ein Lithium-Ion nicht zu einem Metall wird".

Narayan sagte, dass die Hersteller in der Lage sein sollten, bei der Herstellung sowohl der Anoden als auch der Kathoden, der anderen Elektroden in den Batterien, das Laser-Glühen mit Nanosekunden-Pulsen einzusetzen.

"Es gibt diese Hochleistungslaser, mit denen man Anoden und Kathoden innerhalb einer Mikrosekunde behandeln kann", sagte Narayan. "Die Kathoden oder Anoden werden auf einer Platte hergestellt, was die Behandlung relativ schnell und einfach macht."

Narayan und seine Kollegen von der University of Texas-Austin haben kürzlich eine weitere Arbeit veröffentlicht, in der die gleiche Lasertechnik für Kathodenmaterialien verwendet wurde. Die in der Zeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces veröffentlichte Studie zeigt, dass die Laserbehandlung die Kathodenmaterialien verbessert.

"Als Nächstes versuchen wir, die Verwendung teurerer Materialien wie Kobalt in Batteriekathoden überflüssig zu machen, um Batterien mit höherer Leistung und längerer Lebensdauer herzustellen", sagte Narayan.

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Originalveröffentlichung

Microstructure and defect engineering of graphite anodes by pulsed laser annealing for enhanced performance of lithium-ion batteries; Carbon; Volume 205, 5 March 2023, Pages 214-225

https://www.chemie.de/news/1179486/kontrollierbare-defekte-verbessern-die-leistung-von-lithium-ionen-batterien.html

Originalveröffentlichung

Microstructure and defect engineering of graphite anodes by pulsed laser annealing for enhanced performance of lithium-ion batteries; Carbon; Volume 205, 5 March 2023, Pages 214-225

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