Neue Batterietechnologie könnte zu sichereren, hochenergetischen Elektrofahrzeugen führen
Forscher entwickeln einen Weg zur Vermeidung von Schäden, die Lithiumbatterien der nächsten Generation plagen
Forscher der University of Maryland, die untersuchen, wie Lithiumbatterien versagen, haben eine neue Technologie entwickelt, die Elektrofahrzeuge der nächsten Generation und andere Geräte ermöglichen könnte, die weniger anfällig für Batteriebrände sind und gleichzeitig die Energiespeicherung erhöhen.
Die innovative Methode, die in einem in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel vorgestellt wird, unterdrückt das Wachstum von Lithium-Dendriten - schädliche verzweigte Strukturen, die sich in so genannten All-Solid-State-Lithiumbatterien entwickeln und Unternehmen daran hindern, die vielversprechende Technologie auf breiter Basis zu vermarkten. Das neue Design für eine Batterie-"Zwischenschicht" unter der Leitung des Professors für Chemie- und Biomolekulartechnik, Chunsheng Wang, verhindert jedoch die Bildung von Dendriten und könnte die Tür für die Produktion von tragfähigen Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge öffnen.
Mindestens 750.000 in den USA zugelassene Elektroautos werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, die wegen ihrer hohen Energiespeicherkapazität beliebt sind, aber eine brennbare Flüssigelektrolytkomponente enthalten, die bei Überhitzung brennt. Obwohl keine staatliche Behörde Fahrzeugbrände nach Fahrzeugtyp verfolgt und Brände von Elektroauto-Batterien relativ selten zu sein scheinen, stellen sie ein besonderes Risiko dar. Das National Transportation Safety Board berichtet, dass Ersthelfer Sicherheitsrisiken ausgesetzt sind, darunter Stromschläge und die Exposition gegenüber giftigen Gasen, die von beschädigten oder brennenden Batterien ausgehen.
All-Solid-State-Batterien könnten zu Autos führen, die sicherer sind als die derzeitigen Elektro- oder Verbrennungsmodelle, aber die Entwicklung einer Strategie zur Umgehung der Nachteile sei mühsam, so Wang. Wenn diese Batterien mit den hohen Kapazitäten und Lade-/Entladeraten betrieben werden, die Elektrofahrzeuge erfordern, wachsen Lithiumdendriten zur Kathodenseite hin, was Kurzschlüsse und einen Kapazitätsabfall verursacht.
Er und sein Postdoktorand Hongli Wan begannen 2021 mit der Entwicklung einer Theorie für die Entstehung von Lithium-Dendriten, die nach wie vor Gegenstand wissenschaftlicher Debatten ist, so die Forscher.
"Nachdem wir diesen Teil herausgefunden hatten, schlugen wir vor, die Zwischenschichten so umzugestalten, dass sie das Lithium-Dendriten-Wachstum effektiv unterdrücken", sagte er.
Ihre Lösung ist einzigartig, weil sie die Grenzflächen der Batterie zwischen dem Festelektrolyt und der Anode (wo die Elektronen aus einem Stromkreis in die Batterie eintreten) und dem Elektrolyt und der Kathode (wo die Energie aus der Batterie herausfließt) stabilisiert. Die neue Batteriestruktur fügt eine fluorreiche Zwischenschicht hinzu, die die Kathodenseite stabilisiert, sowie eine Modifikation der Zwischenschicht der Anode mit Magnesium und Wismut, die den Lithium-Dendriten unterdrückt.
"Festkörperbatterien sind die nächste Generation, weil sie eine hohe Energie und Sicherheit bieten können. Bei den derzeitigen Batterien wird die Sicherheit geopfert, wenn man eine hohe Energie erreicht", so Wang.
Bevor das Produkt auf den Markt kommt, müssen die Forscher noch weitere Herausforderungen bewältigen. Um Festkörperbatterien auf den Markt bringen zu können, müssen die Experten die Schicht des Festelektrolyten verkleinern, um eine ähnliche Dicke wie bei Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen, was die Energiedichte - also die Energie, die die Batterie speichern kann - verbessert. Eine weitere Herausforderung sind die hohen Kosten der Ausgangsmaterialien, so das Team.
Mit dem Ziel, die neuen Batterien bis 2026 auf den Markt zu bringen, plant der Hersteller fortschrittlicher Batterien, Solid Power, mit der Erprobung der neuen Technologie zu beginnen, um ihr Potenzial für die Vermarktung zu bewerten. Die weitere Forschung zielt darauf ab, die Energiedichte weiter zu erhöhen, so die Forscher.
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