Auf dem Weg zu besseren Festkörperbatterien

Ein von Berkeley Lab geleitetes Team entwickelt Batterien der nächsten Generation auf atomarer Ebene

28.02.2023 - USA

Ein Team des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der Florida State University hat ein neues Konzept für Festkörperbatterien entwickelt, die weniger abhängig von bestimmten chemischen Elementen sind, insbesondere von kritischen Metallen, deren Beschaffung aufgrund von Problemen in der Lieferkette schwierig ist. Ihre Arbeit, über die kürzlich in der Fachzeitschrift Science berichtet wurde, könnte zu effizienten und erschwinglichen Festkörperbatterien führen.

Festkörperbatterien, die wegen ihrer hohen Energiedichte und überlegenen Sicherheit angepriesen werden, könnten für die Elektroautoindustrie eine entscheidende Neuerung darstellen. Doch die Entwicklung einer Batterie, die erschwinglich und gleichzeitig leitfähig genug ist, um ein Auto mit einer einzigen Ladung Hunderte von Kilometern anzutreiben, war lange Zeit eine schwierige Hürde, die es zu überwinden galt.

"Mit unserem neuen Ansatz für Festkörperbatterien muss man nicht mehr auf Erschwinglichkeit zugunsten der Leistung verzichten. Unsere Arbeit ist die erste, die dieses Problem löst, indem sie einen Festkörperelektrolyten entwickelt, der nicht nur aus einem Metall besteht, sondern aus einem Team von erschwinglichen Metallen", sagte der Co-Erstautor Yan Zeng, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Materials Sciences Division von Berkeley Lab.

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In einer Lithium-Ionen-Batterie funktioniert der Elektrolyt wie ein Übertragungszentrum, in dem sich Lithium-Ionen mit elektrischer Ladung bewegen, um entweder ein Gerät mit Strom zu versorgen oder die Batterie aufzuladen.

Wie andere Batterien speichern auch Festkörperbatterien Energie und geben sie dann zur Stromversorgung von Geräten frei. Anstelle von Flüssig- oder Polymergel-Elektrolyten, wie sie in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, verwenden sie jedoch einen festen Elektrolyten.

Regierung, Forschung und Hochschulen haben viel in die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien investiert, da die für viele kommerzielle Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyte anfälliger für Überhitzung, Feuer und Ladeverlust sind.

Viele der bisher konstruierten Festkörperbatterien basieren jedoch auf bestimmten Metallen, die teuer und nicht in großen Mengen verfügbar sind. Einige sind in den Vereinigten Staaten überhaupt nicht zu finden.

Für die aktuelle Studie haben Zeng, Bin Ouyang, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der Florida State University, und der Hauptautor Gerbrand Ceder, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UC Berkeley, eine neue Art von Festelektrolyt entwickelt, der aus einer Mischung verschiedener Metallelemente besteht. Zeng und Ouyang entwickelten die Idee zu dieser Arbeit, als sie ihre Postdoc-Forschung am Berkeley Lab und der UC Berkeley unter der Leitung von Ceder abschlossen.

Die neuen Materialien könnten zu einem leitfähigeren Festelektrolyten führen, der weniger von einer großen Menge eines einzelnen Elements abhängig ist.

In Experimenten am Berkeley Lab und an der UC Berkeley demonstrierten die Forscher den neuen Festelektrolyten, indem sie mehrere Lithium- und Natrium-Ionen-Materialien mit mehreren Mischmetallen synthetisierten und testeten.

Sie stellten fest, dass die neuen Multi-Metall-Materialien besser abschnitten als erwartet und eine um mehrere Größenordnungen schnellere ionische Leitfähigkeit aufwiesen als die Ein-Metall-Materialien. Die Ionenleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell sich Lithium-Ionen bewegen, um elektrische Ladung zu leiten.

Die Forscher stellen die Theorie auf, dass durch das Mischen vieler verschiedener Metalle neue Wege geschaffen werden - ähnlich wie durch das Hinzufügen von Schnellstraßen auf einer verstopften Autobahn - durch die sich Lithiumionen schnell durch den Elektrolyten bewegen können. Ohne diese Wege würden sich die Lithium-Ionen nur langsam und begrenzt durch den Elektrolyten bewegen, wenn sie von einem Ende der Batterie zum anderen gelangen, erklärte Zeng.

Um die Kandidaten für das Multi-Metall-Design zu überprüfen, führten die Forscher fortgeschrittene theoretische Berechnungen auf der Grundlage einer Methode namens Dichtefunktionaltheorie auf Supercomputern des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) durch. Mit Hilfe von Rastertransmissionselektronenmikroskopen (STEM) an der Molecular Foundry bestätigten die Forscher, dass jeder Elektrolyt aus nur einer Art von Material besteht - was die Wissenschaftler als "einphasig" bezeichnen - mit ungewöhnlichen Verzerrungen, die zu den neuen Ionentransportwegen in seiner Kristallstruktur führen.

Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Ionenleitern der nächsten Generation. Der nächste Schritt in dieser Forschung ist die Anwendung des neuen Ansatzes, den Zeng zusammen mit Ceder am Berkeley Lab entwickelt hat, um neuartige Festelektrolytmaterialien weiter zu erforschen und zu entdecken, die die Batterieleistung noch weiter verbessern können.

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