Neue Studie könnte zur Entwicklung "bahnbrechender" Batterien für Elektrofahrzeuge und die Luftfahrt beitragen
Mechanismen aufgedeckt, die zum Versagen von Lithium-Metall-Festkörperbatterien führen
Dank einer neuen Studie unter der Leitung von Forschern der University of Oxford, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, könnten deutlich verbesserte Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) einen Schritt näher rücken. Mithilfe fortschrittlicher bildgebender Verfahren wurden Mechanismen aufgedeckt, die zum Versagen von Lithium-Metall-Festkörperbatterien (Li-SSB) führen. Wenn diese Mechanismen überwunden werden können, könnten Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden die Reichweite, Sicherheit und Leistung von Elektroautos entscheidend verbessern und zur Weiterentwicklung der elektrisch betriebenen Luftfahrt beitragen.
Einer der Co-Autoren der Studie, Dominic Melvin, Doktorand am Fachbereich für Werkstoffe der Universität Oxford, sagte: Die Entwicklung von Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden ist eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von Batterietechnologien. Während die heutigen Lithium-Ionen-Batterien weiter verbessert werden, hat die Forschung im Bereich der Festkörperbatterien das Potenzial, sehr lohnend zu sein und eine bahnbrechende Technologie zu werden.
Li-SSBs unterscheiden sich von anderen Batterien, weil sie den entflammbaren flüssigen Elektrolyten in herkömmlichen Batterien durch einen festen Elektrolyten ersetzen und Lithiummetall als Anode (negative Elektrode) verwenden. Durch die Verwendung des Festelektrolyten wird die Sicherheit verbessert, und durch die Verwendung von Lithiummetall kann mehr Energie gespeichert werden. Eine kritische Herausforderung bei Li-SSBs besteht jedoch darin, dass sie beim Aufladen zu Kurzschlüssen neigen, da sich "Dendriten" bilden: Fäden aus Lithiummetall, die durch den keramischen Elektrolyten brechen. Im Rahmen des SOLBAT-Projekts der Faraday Institution haben Forscher aus den Abteilungen für Materialien, Chemie und Ingenieurwissenschaften der Universität Oxford eine Reihe eingehender Untersuchungen durchgeführt, um mehr darüber zu erfahren, wie es zu diesen Kurzschlüssen kommt.
In dieser jüngsten Studie setzte die Gruppe ein fortschrittliches bildgebendes Verfahren, die Röntgen-Computertomographie an der Diamond Light Source, ein, um das Versagen von Dendriten während des Ladevorgangs in noch nie dagewesenem Detail zu visualisieren. Die neue Bildgebungsstudie ergab, dass die Entstehung und die Ausbreitung der Dendritenrisse getrennte Prozesse sind, die von unterschiedlichen Mechanismen angetrieben werden. Dendritenrisse entstehen, wenn sich Lithium in den Poren unter der Oberfläche ansammelt. Wenn die Poren voll sind, erhöht sich der Druck beim weiteren Aufladen der Batterie, was zur Rissbildung führt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Ausbreitung, wenn Lithium den Riss nur teilweise füllt, durch einen Keilöffnungsmechanismus, der den Riss von hinten aufreißt.
Dieses neue Verständnis weist den Weg zur Bewältigung der technologischen Herausforderungen von Li-SSBs. Dominic Melvin sagte: "Während beispielsweise der Druck an der Lithiumanode gut sein kann, um zu verhindern, dass sich bei der Entladung Lücken an der Grenzfläche zum Festelektrolyten bilden, zeigen unsere Ergebnisse, dass ein zu hoher Druck nachteilig sein kann, da er die Ausbreitung von Dendriten und einen Kurzschluss beim Laden wahrscheinlicher macht.
Sir Peter Bruce, Wolfson Chair, Professor für Werkstoffe an der Universität Oxford, leitender Wissenschaftler der Faraday Institution und korrespondierender Autor der Studie, sagte: "Der Prozess, durch den ein weiches Metall wie Lithium in einen sehr dichten harten Keramikelektrolyten eindringen kann, hat sich als schwierig zu verstehen erwiesen, mit vielen wichtigen Beiträgen von exzellenten Wissenschaftlern aus der ganzen Welt. Wir hoffen, dass die zusätzlichen Erkenntnisse, die wir gewonnen haben, die Forschung an Festkörperbatterien auf dem Weg zu einem praktischen Gerät voranbringen werden.
Einem kürzlich erschienenen Bericht der Faraday Institution zufolge könnten SSB bis 2040 50 % der weltweiten Nachfrage nach Batterien in der Unterhaltungselektronik, 30 % im Transportwesen und über 10 % in Flugzeugen decken.
Professor Pam Thomas, CEO der Faraday Institution, sagte: "Die SOLBAT-Forscher entwickeln weiterhin ein mechanistisches Verständnis des Versagens von Festkörperbatterien - eine Hürde, die überwunden werden muss, bevor Hochleistungsbatterien mit kommerziell relevanter Leistung für Automobilanwendungen realisiert werden können. Das Projekt liefert Informationen über Strategien, die Zellhersteller einsetzen könnten, um Zellausfälle bei dieser Technologie zu vermeiden. Diese anwendungsorientierte Forschung ist ein hervorragendes Beispiel für die Art von wissenschaftlichen Fortschritten, für die die Faraday-Institution gegründet wurde.
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