Neue Materialien für sichere und leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien entdeckt

Wissenschaftler haben einen stabilen und hochleitfähigen Lithium-Ionen-Leiter entdeckt, der als Festelektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann

03.04.2024

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Lithium-Ionen-Batterien mit festen Elektrolyten sind nicht entflammbar und haben eine höhere Energiedichte und Übertragungszahlen als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Es wird erwartet, dass sie einen Teil des Marktes für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten übernehmen werden, beispielsweise in Elektrofahrzeugen. Trotz dieser Vorteile haben Festelektrolyte jedoch eine geringere Li-Ionen-Leitfähigkeit und stellen eine Herausforderung dar, um einen angemessenen Kontakt zwischen Elektrode und Festelektrolyt zu erreichen. Feste Elektrolyte auf Sulfidbasis sind zwar leitfähig, reagieren aber mit Feuchtigkeit und bilden giftigen Schwefelwasserstoff. Daher besteht ein Bedarf an sulfidfreien Festelektrolyten, die sowohl leitfähig als auch an der Luft stabil sind, um sichere, leistungsstarke und schnell aufladbare Li-Ionen-Festkörperbatterien herzustellen.

In einer aktuellen Studie, die am 28. März 2024 in der Zeitschrift Chemistry of Materials veröffentlicht wurde, entdeckte ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Kenjiro Fujimoto, Professor Akihisa Aimi von der Tokyo University of Science und Dr. Shuhei Yoshida von der Denso Corporation einen stabilen und hoch leitfähigen Li-Ionen-Leiter in Form eines Pyrochlor-Oxyfluorids.

Prof. Fujimoto: "Die Herstellung von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien in festem Zustand ist ein lang gehegter Traum vieler Batterieforscher. Wir haben einen oxidischen Festelektrolyten entdeckt, der eine Schlüsselkomponente von Lithium-Ionen-Batterien ist, die sowohl eine hohe Energiedichte als auch Sicherheit aufweisen. Das Material ist nicht nur an der Luft stabil, sondern weist auch eine höhere Ionenleitfähigkeit auf als bisher bekannte oxidische Festelektrolyte".

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Das in dieser Arbeit untersuchte Oxyfluorid vom Pyrochlortyp kann als Li2-xLa(1+x)/3M2O6F(M = Nb, Ta) bezeichnet werden. Es wurde einer Struktur- und Zusammensetzungsanalyse mit verschiedenen Techniken unterzogen, darunter Röntgenbeugung, Rietveld-Analyse, optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma und Elektronenbeugung mit ausgewählten Bereichen. Im Einzelnen wurde Li1.25La0.58Nb2O6Fentwickelt, das bei Raumtemperatur eine Ionenleitfähigkeit von 7,0 mS cm-¹ und eine Gesamtionenleitfähigkeit von 3,9 mS cm-¹ aufweist. Sie ist höher als die Lithium-Ionen-Leitfähigkeit bekannter oxidischer Festelektrolyte. Die Aktivierungsenergie der Ionenleitung dieses Materials ist extrem niedrig, und die Ionenleitfähigkeit dieses Materials bei niedrigen Temperaturen ist eine der höchsten unter den bekannten Festelektrolyten, einschließlich Materialien auf Sulfidbasis.

Selbst bei -10 °C hat das neue Material die gleiche Leitfähigkeit wie herkömmliche Festelektrolyte auf Oxidbasis bei Raumtemperatur. Da auch die Leitfähigkeit über 100 °C nachgewiesen wurde, liegt der Betriebsbereich dieses Festelektrolyten bei -10 °C bis 100 °C. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien können nicht bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt eingesetzt werden. Daher liegen die Betriebsbedingungen von Lithium-Ionen-Batterien für häufig verwendete Mobiltelefone bei 0 °C bis 45 °C.

Der Li-Ionen-Leitungsmechanismus in diesem Material wurde untersucht. Der Leitungspfad der pyrochlorartigen Struktur umfasst die F-Ionen, die sich in den von den MO6-Oktaedern geschaffenen Tunneln befinden. Der Leitungsmechanismus ist die sequentielle Bewegung von Li-Ionen, während sie die Bindungen mit F-Ionen wechseln. Die Li-Ionen bewegen sich zur nächstgelegenen Li-Position und durchlaufen dabei immer metastabile Positionen. Unbewegliches La3+, das an F-Ionen gebunden ist, hemmt die Li-Ionen-Leitung, indem es den Leitungsweg blockiert und die umgebenden metastabilen Positionen zum Verschwinden bringt.

Im Gegensatz zu den bestehenden Lithium-Ionen-Sekundärbatterien besteht bei oxidbasierten Festkörperbatterien nicht die Gefahr, dass der Elektrolyt aufgrund von Beschädigungen ausläuft, und es entstehen keine giftigen Gase wie bei sulfidbasierten Batterien. Daher wird erwartet, dass diese neue Innovation die zukünftige Forschung anführen wird. "Das neu entdeckte Material ist sicher und weist eine höhere Ionenleitfähigkeit auf als bisher bekannte oxidbasierte Festelektrolyte. Die Anwendung dieses Materials ist vielversprechend für die Entwicklung revolutionärer Batterien, die in einem breiten Temperaturbereich, von niedrig bis hoch, betrieben werden können", meint Prof. Fujimoto. "Wir glauben, dass die für die Anwendung von Festelektrolyten für Elektrofahrzeuge erforderlichen Leistungsmerkmale erfüllt sind."

Das neue Material ist äußerst stabil und entzündet sich nicht, wenn es beschädigt wird. Es eignet sich für Flugzeuge und andere Orte, an denen die Sicherheit von entscheidender Bedeutung ist. Es eignet sich auch für Anwendungen mit hoher Kapazität, wie z. B. Elektrofahrzeuge, da es bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann und ein schnelles Aufladen ermöglicht. Außerdem ist es ein vielversprechendes Material für die Miniaturisierung von Batterien, Haushaltsgeräten und medizinischen Geräten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forscher nicht nur einen Li-Ionen-Leiter mit hoher Leitfähigkeit und Luftstabilität entdeckt haben, sondern auch eine neue Art von superionischem Leiter mit einem pyrochlorartigen Oxyfluorid eingeführt haben. Die Erforschung der lokalen Struktur in der Umgebung von Lithium, ihre dynamischen Veränderungen während der Leitung und ihr Potenzial als feste Elektrolyte für Festkörperbatterien sind wichtige Bereiche für die zukünftige Forschung!

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Originalveröffentlichung

Akihisa Aimi, Hitoshi Onodera, Yuta Shimonishi, Kenjiro Fujimoto, Shuhei Yoshida; "High Li-Ion Conductivity in Pyrochlore-Type Solid Electrolyte Li2–xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta)"; Chemistry of Materials, 2024-3-28

https://www.chemie.de/news/1183110/neue-materialien-fuer-sichere-und-leistungsstarke-lithium-ionen-batterien-entdeckt.html