Fortschritte beim Schnellladen von Lithium-Metall-Batterien - in nur einer Stunde
Die Züchtung einheitlicher Lithiumkristalle auf einer überraschenden Oberfläche öffnet eine neue Tür zu schnell aufladbaren Lithium-Metall-Batterien
In einem neuen Nature Energy-Artikel berichten Ingenieure über Fortschritte auf dem Weg zu Lithium-Metall-Batterien, die sich schnell aufladen lassen - innerhalb von einer Stunde. Dieses schnelle Aufladen ist Lithiummetallkristallen zu verdanken, die schnell und gleichmäßig auf einer überraschenden Oberfläche geimpft und gezüchtet werden können. Der Trick besteht darin, eine Oberfläche für die Kristallzüchtung zu verwenden, die Lithium offiziell nicht "mag". Aus diesen Impfkristallen wachsen dann dichte Schichten aus einheitlichem Lithiummetall. Gleichmäßige Schichten aus Lithiummetall sind für Batterieforscher von großem Interesse, da sie keine die Batterieleistung verschlechternden Spitzen, so genannte Dendriten, aufweisen. Die Bildung dieser Dendriten in Batterieanoden ist seit langem ein Hindernis für schnell aufladbare Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte.
Kryo-TEM-Bild eines Einkristalls aus Lithiummetall, der auf einer überraschenden, lithiophoben Nanokomposit-Oberfläche aus Lithiumfluorid und Eisen geimpft wurde. Der Lithiumkristall hat eine hexagonale bipyramidale Form. In einem am 9. Februar 2023 veröffentlichten Nature Energy-Artikel zeigten die Forscher der UC San Diego und der UC Irvine, dass diese überraschende Bildung von Lithiumkristallkernen zu dichten Lithiumschichten selbst bei hohen Ladegeschwindigkeiten führt, was zu Lithium-Metall-Batterien mit langer Lebensdauer führt, die auch schnell geladen werden können. Diese Entdeckung überwindet ein häufiges Phänomen bei wiederaufladbaren Lithium-Metall-Batterien, bei denen hohe Ladegeschwindigkeiten immer zu porösem Lithium und kurzen Zyklen führen. Indem sie die allgegenwärtigen Kupferoberflächen auf der negativen Seite (der Anode) von Lithium-Metall-Batterien durch diese lithiophobe Oberfläche aus Lithiumfluorid und Eisen ersetzen, haben die Forscher einen neuen Weg zur Entwicklung zuverlässigerer, sicherer und leistungsfähigerer Lithium-Metall-Batterien eröffnet.
Chunyang Wang and Huolin Xin / UC Irvine
Dieser neue Ansatz, der von Ingenieuren der University of California San Diego geleitet wurde, ermöglicht das Aufladen von Lithium-Metall-Batterien in etwa einer Stunde, eine Geschwindigkeit, die mit den heutigen Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren kann. Die Ingenieure der UC San Diego veröffentlichten diesen Fortschritt in Zusammenarbeit mit Bildgebungsforschern der UC Irvine am 9. Februar 2023 in der Zeitschrift Nature Energy, um schnell ladende Lithium-Metall-Batterien zu entwickeln.
Um Lithium-Metall-Kristalle zu züchten, ersetzten die Forscher die allgegenwärtigen Kupferoberflächen auf der negativen Seite (der Anode) von Lithium-Metall-Batterien durch eine lithiophobe Nanokompositoberfläche aus Lithiumfluorid (LiF) und Eisen (Fe). Mit dieser lithiophoben Oberfläche für die Lithiumabscheidung bildeten sich Lithiumkristallkeime, aus denen dichte Lithiumschichten wuchsen - selbst bei hohen Ladegeschwindigkeiten. Das Ergebnis waren Lithium-Metall-Batterien mit langer Lebensdauer, die sich schnell aufladen lassen.
"Die spezielle Nanokomposit-Oberfläche ist die Entdeckung", sagt Ping Liu, Professor für Nanotechnik an der UC San Diego und Hauptautor der neuen Arbeit. "Wir haben die traditionelle Vorstellung davon, welche Art von Oberfläche für das Wachstum von Lithiumkristallen erforderlich ist, in Frage gestellt. Die vorherrschende Meinung ist, dass Lithium besser auf Oberflächen wächst, die es mag, die lithiophil sind. In dieser Arbeit zeigen wir, dass dies nicht immer der Fall ist. Das von uns verwendete Substrat ist nicht lithiumfreundlich. Es bietet jedoch reichlich Keimbildungsstellen und eine schnelle Bewegung des Lithiums auf der Oberfläche. Diese beiden Faktoren führen zum Wachstum dieser schönen Kristalle. Dies ist ein schönes Beispiel für eine wissenschaftliche Erkenntnis, mit der ein technisches Problem gelöst wird.
Der neue Fortschritt unter der Leitung von Nanoingenieuren der UC San Diego könnte ein bedeutendes Hindernis aus dem Weg räumen, das den weit verbreiteten Einsatz von energiereichen Lithium-Metall-Batterien für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronik behindert. Während Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer hohen Ladedichte ein großes Potenzial für Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronikgeräte haben, müssen die heutigen Lithium-Metall-Batterien extrem langsam geladen werden, um die Batterieleistung zu erhalten und Sicherheitsprobleme zu vermeiden. Das langsame Laden ist notwendig, um die Bildung von Lithium-Dendriten zu minimieren, die die Batterieleistung beeinträchtigen, wenn sich Lithium-Ionen mit Elektronen verbinden und Lithiumkristalle auf der Anodenseite der Batterie bilden. Die Lithiumkristalle bilden sich beim Laden der Batterie und lösen sich beim Entladen der Batterie wieder auf.
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