Neue Konzepte für Festkörperelektrolyte könnten die Batterieindustrie bald revolutionieren
Wissenschaftler erzielen erhebliche Verbesserungen bei Lithium-Metall-Chlorid-Festkörperelektrolyten
Forscher unter der Leitung von Professor KANG Kisuk vom Zentrum für Nanopartikelforschung des Instituts für Grundlagenforschung (IBS) haben einen wichtigen Durchbruch auf dem Gebiet der Festkörperbatterien der nächsten Generation angekündigt. Man geht davon aus, dass ihre neuen Erkenntnisse die Entwicklung von Batterien ermöglichen werden, die auf einem neuartigen Festelektrolyten auf Chloridbasis basieren, der eine außergewöhnliche ionische Leitfähigkeit aufweist.
Die Anordnung der Metallionen (in diesem Fall Yttrium) in jeder Schicht beeinflusst die Ionenleitfähigkeit. Um die ungehinderte Bewegung von Lithiumionen zu gewährleisten, sollte die Anzahl der Metallionen, die die verfügbaren Plätze in jeder Schicht belegen, weniger als 0,444 betragen. Um einen ausreichend breiten Pfad für Lithiumionen innerhalb jeder Schicht zu schaffen, sollte die Belegung der Metallionen mehr als 0,167 betragen. Daher führt eine Belegung von Metallionen zwischen 0,167 und 0,444 in jeder Schicht zu einer leitfähigen Schicht mit hoher Ionenleitfähigkeit.
Institute for Basic Science
Ein dringendes Problem der derzeitigen kommerziellen Batterien ist ihre Abhängigkeit von flüssigen Elektrolyten, die zu Entflammbarkeit und Explosionsrisiken führen. Daher ist die Entwicklung nicht brennbarer Festelektrolyte von größter Bedeutung für die Weiterentwicklung der Festkörperbatterietechnologie. Da sich die Welt darauf vorbereitet, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren zu regulieren und den Einsatz von Elektrofahrzeugen im Zuge des weltweiten Wandels hin zu einem nachhaltigen Transportwesen auszuweiten, hat die Forschung an den Kernkomponenten von Sekundärbatterien, insbesondere Festkörperbatterien, erheblich an Dynamik gewonnen.
Um Festkörperbatterien für den alltäglichen Gebrauch praktikabel zu machen, ist die Entwicklung von Materialien mit hoher Ionenleitfähigkeit, robuster chemischer und elektrochemischer Stabilität und mechanischer Flexibilität entscheidend. Die bisherige Forschung hat zwar erfolgreich zu sulfid- und oxidbasierten Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit geführt, doch keines dieser Materialien erfüllte alle diese wesentlichen Anforderungen.
In der Vergangenheit haben Wissenschaftler auch Festelektrolyte auf Chloridbasis erforscht, die für ihre hervorragende Ionenleitfähigkeit, mechanische Flexibilität und Stabilität bei hohen Spannungen bekannt sind. Diese Eigenschaften veranlassten einige zu der Vermutung, dass Chloridbatterien die wahrscheinlichsten Kandidaten für Festkörperbatterien sind. Diese Hoffnungen wurden jedoch schnell enttäuscht, da die Chloridbatterien aufgrund ihrer starken Abhängigkeit von teuren Seltenerdmetallen wie Yttrium, Scandium und Lanthaniden als Sekundärkomponenten als unpraktisch angesehen wurden.
Um diese Bedenken auszuräumen, untersuchte das IBS-Forschungsteam die Verteilung der Metallionen in Chlorid-Elektrolyten. Sie vermuteten, dass der Grund, warum trigonale Chloridelektrolyte eine niedrige Ionenleitfähigkeit erreichen können, in der unterschiedlichen Anordnung der Metallionen innerhalb der Struktur liegt.
Sie testeten diese Theorie zunächst an Lithium-Yttrium-Chlorid, einer gängigen Lithium-Metallchlorid-Verbindung. Befanden sich die Metallionen in der Nähe der Lithiumionenbahn, behinderten elektrostatische Kräfte ihre Bewegung. Umgekehrt wurde der Weg für die Lithiumionen zu eng, wenn die Metallionenbesetzung zu gering war, wodurch ihre Mobilität behindert wurde.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen führte das Forscherteam Strategien ein, um Elektrolyte so zu gestalten, dass diese widersprüchlichen Faktoren abgemildert werden, was schließlich zur erfolgreichen Entwicklung eines Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit führte. Die Gruppe demonstrierte diese Strategie erfolgreich, indem sie eine Lithium-Metall-Chlorid-Festkörperbatterie auf der Basis von Zirkonium herstellte, die weitaus billiger ist als die Varianten, die Seltenerdmetalle verwenden. Dies war der erste Fall, in dem die Bedeutung der Anordnung der Metallionen für die Ionenleitfähigkeit eines Materials nachgewiesen werden konnte.
Diese Forschung bringt die oft übersehene Rolle der Metallionenverteilung für die Ionenleitfähigkeit von Festelektrolyten auf Chloridbasis ans Licht. Es wird erwartet, dass die Forschung des IBS-Zentrums den Weg für die Entwicklung verschiedener chloridbasierter Festelektrolyte ebnen und die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien vorantreiben wird, die eine bessere Erschwinglichkeit und Sicherheit bei der Energiespeicherung versprechen.
Der korrespondierende Autor KANG Kisuk erklärt: "Dieser neu entdeckte Festelektrolyt auf Chloridbasis ist in der Lage, die Beschränkungen herkömmlicher Festelektrolyte auf Sulfid- und Oxidbasis zu überwinden und uns der breiten Einführung von Festkörperbatterien einen Schritt näher zu bringen."
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