Lithium-Ionen-Batterien sind nicht mehr der Goldstandard in der Batterietechnologie
Auf dem Weg zu sichereren und leistungsfähigeren Energiequellen
Die Verwendung von Lithiummetall als Anode für Batterien ist eine der intelligenteren Optionen mit einer besseren Energiedichte als andere Materialien. Allerdings gibt es an der Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt eine Reihe von Problemen, die für ein sichereres und funktionelleres Ergebnis in der Zukunft gelöst werden können.
Jeder Keil besteht aus verschiedenen Konstruktionen von Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen, um zu einer praktischen Überarbeitung des Designs von Lithium-Metall-Elektroden beizutragen
Yanyan Wang, University of Adelaide
Die Forscher wollen die Graphitanode durch eine Lithium-Metall-Anode ersetzen, um ein Batteriesystem mit höherer Energiedichte zu konstruieren. Die Li-Metall-Anode ist jedoch instabil und reagiert leicht mit dem Elektrolyten, um eine Festkörper-Elektrolyt-Interphase (SEI) zu bilden. Leider ist die natürliche SEI spröde und brüchig, was zu einer schlechten Lebensdauer und Leistung führt. Hier haben die Forscher nach einem Ersatz für die natürliche SEI gesucht, der die Nebenreaktionen im Batteriesystem wirksam abmildern könnte. Die Antwort lautet ASEI: Künstliche Festelektrolyt-Interphase. ASEI korrigiert einige der Probleme, mit denen die nackte Lithium-Metall-Anode zu kämpfen hat, und macht sie zu einer sichereren, zuverlässigeren und sogar leistungsfähigeren Energiequelle, die mit größerem Vertrauen in Elektrofahrzeugen und anderen ähnlichen Anwendungen eingesetzt werden kann.
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 25. September in der Zeitschrift Energy Materials and Devices.
"Batterietechnologien haben unseren Lebensstil revolutioniert und sind eng mit dem Leben eines jeden Menschen verbunden. Um eine wirklich kohlenstofffreie Wirtschaft zu verwirklichen, sind Batterien mit besserer Leistung erforderlich, um die derzeitigen Li-Ionen-Batterien zu ersetzen", sagte Yanyan Wang, Autor und Forscher der Studie.
Lithium-Metall-Batterien (LMBs) sind ein solcher Kandidat. Die Anode, das Lithiummetall, reagiert jedoch mit dem Elektrolyten, und während des Batteriebetriebs bildet sich auf der Oberfläche des Lithiummetalls eine Passivierungsschicht, die so genannte Festkörper-Elektrolyt-Interphase. Ein weiteres Problem der Lithium-Metall-Anode ist das so genannte "Dendritenwachstum", das beim Laden der Batterie auftritt. Dendriten sehen wie baumartige Strukturen aus, die die Batterie im Inneren beschädigen und zu Kurzschlüssen, schlechter Leistung und potenziellen Sicherheitsrisiken führen. Diese Schwächen verringern insgesamt die Praxistauglichkeit von LMBs und stellen einige Herausforderungen dar, die es zu bewältigen gilt.
In der Übersicht wurden einige Strategien vorgestellt, die zur Entwicklung einer effektiveren und sichereren Lithium-Metall-Anode eingesetzt werden können. Um die Lithium-Metall-Anode zu verbessern, fanden die Forscher heraus, dass es notwendig ist, die Verteilung der Lithium-Ionen zu homogenisieren, was dazu beitragen kann, die Ablagerungen auf negativ geladenen Bereichen der Batterien zu reduzieren. Dies wiederum reduziert die Dendritenbildung, was einen vorzeitigen Zerfall und Kurzschlüsse verhindern kann. Darüber hinaus kann die Schaffung eines leichteren Diffusionsweges für die Lithiumionen bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung der Schichten dazu beitragen, die Integrität der Struktur sowohl physisch als auch chemisch während der Batteriezyklen zu erhalten. Am wichtigsten ist jedoch, dass durch die Verringerung der Spannung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen den Schichten gewährleistet werden kann, was für die Funktionalität der Batterie von entscheidender Bedeutung ist.
Die Strategien, die das größte Potenzial zu haben scheinen, sind polymere ASEI-Schichten und anorganisch-organische Hybrid-ASEI-Schichten. Die polymeren Schichten sind in ihrem Design ausreichend anpassungsfähig, wobei sich die Festigkeit und Elastizität leicht einstellen lassen. Polymere Schichten haben außerdem ähnliche funktionelle Gruppen wie Elektrolyte, was sie äußerst kompatibel macht; diese Kompatibilität ist einer der Hauptbereiche, der anderen Komponenten fehlt. Anorganisch-organische Hybridschichten zeichnen sich durch eine geringere Schichtdicke und eine deutlich bessere Verteilung der Komponenten innerhalb der Schichten aus, was die Gesamtleistung der Batterie verbessert.
Die Zukunft der ASEI-Schichten ist vielversprechend, erfordert aber noch einige Verbesserungen. Die Forscher wünschen sich vor allem eine Verbesserung der Haftung der ASEI-Schichten auf der Metalloberfläche, was insgesamt die Funktion und Langlebigkeit der Batterie verbessert. Weitere Bereiche, die eine gewisse Aufmerksamkeit erfordern, sind die Stabilität der Struktur und der Chemie innerhalb der Schichten sowie die Minimierung der Schichtdicke, um die Energiedichte der Metallelektroden zu verbessern. Sobald diese Fragen geklärt sind, sollte der Weg für eine verbesserte Lithium-Metall-Batterie geebnet sein.
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