Lithium-Metall-Batterien mit Festelektrolyten sind aufgrund ihrer leichten, nicht brennbaren Natur, hohen Energiedichte und schnellen Wiederaufladefähigkeit eine vielversprechende Technologie. Ihre Entwicklung wurde jedoch durch das Problem des Kurzschlusses und Versagens behindert. Wissenschaftler der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory behaupten, dieses Rätsel gelöst zu haben.
Neue Lithium-Metall-Batterien mit Festelektrolyten sind leicht, brennbar, packen viel Energie und können sehr schnell wieder aufgeladen werden, aber sie haben sich aufgrund mysteriöser Kurzschlüsse und Ausfälle nur langsam entwickelt. Nun, Forscher bei Stanford University und SLAC National Accelerator Laboratory sagen, dass sie das Rätsel gelöst haben.
Auf Stress – genauer gesagt auf mechanischen Stress – kommt es an, vor allem beim Hochladen.
„Schon ein leichtes Einkerben, Biegen oder Verdrehen der Batterien kann dazu führen, dass sich nanoskopische Risse in den Materialien öffnen und Lithium in den Festelektrolyten eindringt, was zu einem Kurzschluss führt“, erklärte der leitende Autor William Chueh, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik in der School of Engineering und der Energiewissenschaften und -technik in der neuen Stanford Doerr School of Sustainability.
„Sogar Staub oder andere Verunreinigungen, die bei der Herstellung eingebracht werden, können genug Stress erzeugen, um Fehler zu verursachen“, sagte Chueh, der die Forschung zusammen mit Wendy Gu, einer Assistenzprofessorin für Maschinenbau, leitete.
Die Darstellung dieses Künstlers zeigt eine Sonde, die sich durch den ausgeübten Druck verbiegt und einen Bruch im Festelektrolyten verursacht, der sich mit Lithium füllt. Rechts drückt die Sonde nicht wie gewünscht gegen den Elektrolyten und die Lithiumplättchen auf der Keramikoberfläche. Kredit: Cube3D
Das Problem des Versagens von Festelektrolyten ist nicht neu und viele haben das Phänomen untersucht. Theorien darüber, was genau die Ursache ist, gibt es zuhauf. Einige sagen, der unbeabsichtigte Elektronenfluss sei schuld, während andere auf die Chemie verweisen. Wieder andere theoretisieren, dass andere Kräfte im Spiel sind.
In einer heute (30. Januar) in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Nature Energy, erklären die Co-Hauptautoren Geoff McConohy, Xin Xu und Teng Cui in rigorosen, statistisch signifikanten Experimenten, wie nanoskalige Defekte und mechanische Belastungen dazu führen, dass Festelektrolyte versagen. Wissenschaftler auf der ganzen Welt, die versuchen, neue wiederaufladbare Festelektrolytbatterien zu entwickeln, können das Problem umgehen oder sogar die Entdeckung zu ihrem Vorteil nutzen, wie ein Großteil dieses Stanford-Teams jetzt forscht. Energiedichte, schnell aufladbare, nicht brennbare Lithium-Metall-Batterien mit langer Lebensdauer könnten neben zahlreichen anderen Vorteilen die Haupthindernisse für den breiten Einsatz von Elektrofahrzeugen überwinden.
Statistische Signifikanz
Viele der heute führenden Festelektrolyte sind keramisch. Sie ermöglichen einen schnellen Transport von Lithium-Ionen und trennen die beiden energiespeichernden Elektroden räumlich voneinander. Vor allem sind sie feuerfest. Aber, wie Keramik in unseren Häusern, können sie winzige Risse auf ihrer Oberfläche entwickeln.
Die Forscher demonstrierten durch mehr als 60 Experimente, dass Keramik oft von nanoskopischen Rissen, Dellen und Rissen durchdrungen ist, von denen viele weniger als 20 Nanometer breit sind. (Ein Blatt Papier ist etwa 100,000 Nanometer dick.) Während des Schnellladens, sagen Chueh und sein Team, öffnen sich diese inhärenten Brüche, wodurch Lithium eindringen kann.
Ein Rasterelektronenmikroskopie-Video, das die Lithiumbeschichtung zeigt, wie sie auf einem Festelektrolyten stattfindet. Bildnachweis: Xin Xu, Geoff McConohy und Wenfang Shi
In jedem Experiment brachten die Forscher eine elektrische Sonde an einen Festelektrolyten an, wodurch eine Miniaturbatterie entstand, und verwendeten ein Elektronenmikroskop, um das schnelle Aufladen in Echtzeit zu beobachten. Anschließend nutzten sie einen Ionenstrahl als Skalpell, um zu verstehen, warum sich das Lithium an manchen Stellen wie gewünscht auf der Oberfläche der Keramik sammelt, während es an anderen Stellen beginnt, sich immer tiefer einzugraben, bis das Lithium den Festelektrolyten überbrückt , wodurch ein Kurzschluss entsteht.
Der Unterschied ist der Druck. Wenn die elektrische Sonde lediglich die Oberfläche des Elektrolyten berührt, sammelt sich Lithium schön auf dem Elektrolyten, selbst wenn die Batterie in weniger als einer Minute aufgeladen wird. Wenn die Sonde jedoch in den keramischen Elektrolyten drückt und die mechanischen Belastungen durch Eindrücken, Biegen und Verdrehen nachahmt, ist es wahrscheinlicher, dass die Batterie kurzschließt.
Theorie in die Praxis
Eine reale Festkörperbatterie besteht aus Schichten über Schichten von Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Platten, die übereinander gestapelt sind. Die Rolle des Elektrolyten besteht darin, die Kathode physisch von der Anode zu trennen und dennoch zu ermöglichen, dass sich Lithiumionen frei zwischen den beiden bewegen können. Wenn sich Kathode und Anode berühren oder auf irgendeine Weise elektrisch verbunden sind, wie etwa durch einen Tunnel aus metallischem Lithium, entsteht ein Kurzschluss.
Wie Chueh und sein Team zeigen, verursacht selbst eine subtile Biegung, leichte Drehung oder ein Staubkorn, das zwischen dem Elektrolyten und der Lithiumanode gefangen ist, nicht wahrnehmbare Spalten.
„Angesichts der Möglichkeit, sich in den Elektrolyten einzugraben, wird sich das Lithium schließlich durchschlängeln und Kathode und Anode verbinden“, sagte McConohy, der letztes Jahr in Chuehs Labor promoviert wurde und jetzt in der Industrie arbeitet. "Wenn das passiert, versagt die Batterie."
Die Co-Hauptautoren der neuen Studie, von links, Xin Yu, Teng Cui und Geoff McConohy sitzen vor dem fokussierten Ionenstrahl/Rasterelektronenmikroskop, das für diese Forschung verwendet wird. Bildnachweis: Xin Xu
Das neue Verständnis wurde wiederholt demonstriert, sagten die Forscher. Sie nahmen ein Video des Prozesses mit Rasterelektronenmikroskopen auf – dieselben Mikroskope, die die entstehenden Risse im reinen, ungetesteten Elektrolyten nicht sehen konnten.
Es ist ein bisschen so, wie ein Schlagloch in einem ansonsten perfekten Pflaster erscheint, erklärte Xu. Durch Regen und Schnee pressen Autoreifen Wasser in die winzigen, bereits vorhandenen Unvollkommenheiten im Straßenbelag, wodurch immer breitere Risse entstehen, die mit der Zeit wachsen.
„Lithium ist eigentlich ein weiches Material, aber wie beim Wasser in der Schlaglochanalogie braucht es nur Druck, um die Lücke zu vergrößern und einen Ausfall zu verursachen“, sagte Xu, ein Postdoktorand in Chuehs Labor.
Mit ihrem neuen Verständnis in der Hand sucht Chuehs Team nach Möglichkeiten, genau diese mechanischen Kräfte gezielt einzusetzen, um das Material während der Herstellung zu härten, ähnlich wie ein Schmied eine Klinge während der Produktion glüht. Sie suchen auch nach Möglichkeiten, die Elektrolytoberfläche zu beschichten, um Risse zu verhindern oder sie zu reparieren, wenn sie entstehen.
„Diese Verbesserungen beginnen alle mit einer einzigen Frage: Warum?“, sagte Cui, ein Postdoktorand in Gus Labor. "Wir sind Ingenieure. Das Wichtigste, was wir tun können, ist herauszufinden, warum etwas passiert. Wenn wir das wissen, können wir die Dinge verbessern.“
Referenz: „Mechanische Regulierung der Lithium-Intrusionswahrscheinlichkeit in Granat-Festelektrolyten“ 30. Januar 2023, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4
Chueh ist außerdem Senior Fellow am Precourt Institute for Energy in Stanford und Fakultätswissenschaftler am SLAC. Co-Autoren der oben nicht erwähnten Studie sind die Stanford-Doktoranden Edward Barks, Sunny Wang und Emma Kaeli sowie die Postdoktorandin Celeste Melamed.
Finanzierung: Samsung Advanced Institute of Technology, Vehicle Technologies Office, Stanford StorageX Initiative
