Neuigkeiten aus dem Forschungslabor

Aenert. Research Laboratory news
Heutzutage engagieren sich viele große Player und Start-ups aktiv in der Elektrofahrzeugindustrie und kämpfen um die Entwicklung sichererer und effizienterer Batterien. Ein Batterietyp, der in letzter Zeit zunehmend Beachtung gefunden hat, sind Festkörperbatterien. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien verwenden sie einen festen Elektrolyten, wodurch auf eine Separatorkomponente verzichtet werden kann, die die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt.
Festkörperbatterien gelten als sicherere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, da sie keinen brennbaren flüssigen Elektrolyten benötigen, der bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erforderlich ist. Dadurch wird die Brandgefahr deutlich reduziert. Darüber hinaus sind sie leichter als herkömmliche Batterien, haben eine kürzere Ladezeit und sollen es Elektrofahrzeugen ermöglichen, längere Strecken zurückzulegen. Obwohl sich Festkörperbatterien hinsichtlich der Leistung als vielversprechende Kandidaten erwiesen haben, ist ihre Lebensdauer möglicherweise kürzer als die herkömmlicher Batterien, da sie irgendwann Risse bilden und ausgetauscht werden müssen.

Um dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler des Argonne National Laboratory nun ( 2023 ) eine Studie gestartet, die sich auf eine Gruppe von Elektrolyten namens Argyrodite konzentriert, eine Klasse von Festkörperelektrolyten, die Schwefel enthalten. Argyrodite haben gegenüber anderen Festkörperelektrolyten mehrere Vorteile. Sie verfügen über eine höhere Ionenleitfähigkeit und können Ionen schnell durch eine Batterie transportieren. Dies wiederum kann eine schnellere Laderate für Elektrofahrzeuge ermöglichen. Argyrodite lassen sich auch einfacher und kostengünstiger zu Pellets verarbeiten, die in Batterien verwendet werden.

Argyrodite sind jedoch schwierig herzustellen. Sie reagieren stark mit Luft und daher kann ihre Handhabung in einer Batterieproduktionsanlage schwierig sein. Außerdem reagieren sie leicht mit anderen Elektrodenmaterialien wie Lithium. Bei diesen Reaktionen entstehen Chemikalien, die die Qualität der Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrode beeinträchtigen. Die Reaktionen können auch die Bewegung von Lithiumionen hemmen, die Batterieleistung verringern und Dendriten, nadelartige Lithiumstrukturen, verursachen, die die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie verringern.

Daher wollten die Forscher eine neue Methode entwickeln, die es ermöglicht, die Chemie der Argyroditoberfläche präzise zu gestalten. Sie entschieden sich für das in der Chipproduktionsindustrie übliche atomare Schichtabscheidungsverfahren und passten es an ihre Zwecke an. Bei dieser Beschichtungsmethode werden chemische Dämpfe verwendet, die mit der Oberfläche eines festen Materials reagieren und einen dünnen Film bilden.

Durch Atomlagenabscheidung wurde der Argyrodit-Elektrolyt in Pulverform aufgetragen. Das Pulver wurde erhitzt und Wasserdampf und Trimethylaluminium ausgesetzt, wodurch eine dünne Schicht aus Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) auf allen einzelnen Elektrolytpartikeln entstand. Außerdem wurde eine Charakterisierungstechnik namens Röntgenabsorptionsspektroskopie eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Beschichtung die chemische Struktur des darunter liegenden Argyrodits nicht störte. Dabei wurde das Material mit Synchrotron-Röntgenstrahlen beschossen und die Transmission und Absorption der Röntgenstrahlen im Material gemessen.

Darüber hinaus stellten die Forscher mithilfe zweier Techniken fest, dass sich die Beschichtungen gut an die Konturen einzelner Elektrolytpartikel anpassten. Die erste Technik, Rastertransmissionselektronenmikroskopie genannt, erstellte mithilfe eines fokussierten Elektronenstrahls Bilder der Materialstruktur.

Die zweite Technik, bekannt als energiedispersive Röntgenspektroskopie, bewertete die Elemente im Material durch den Nachweis von Röntgenstrahlen, die von den Elektronen emittiert wurden, die in der Rastertransmissionselektronenmikroskopietechnik verwendet wurden. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Beschichtungen die Reaktivität des Pulvers mit Luft drastisch reduzierten.

In einem nächsten Schritt pressten die Forscher die beschichteten Pulver zu Pellets und bauten die Pellets in eine Batteriezelle im Labormaßstab mit einer Anode (negative Elektrode) aus Lithiummetall ein. Sie haben diese Batterie sowie eine andere Batterie mit unbeschichteten Elektrolyten wiederholt geladen und entladen und ihre Leistung verglichen.

Seit vielen Jahren versuchen Wissenschaftler, die Effizienz von Festkörperbatterien zu verbessern, um sie zu einem wettbewerbsfähigen Akteur auf den Weltmärkten zu machen. Im Jahr 2023 suchten Wissenschaftler nach Möglichkeiten, die Transportwege von Lithiumionen mithilfe eines Festelektrolyten zu verbessern. Sie nutzten den deutlich höheren Neutronendämpfungskoeffizienten eines der am häufigsten vorkommenden stabilen Lithiumisotope, ⁶Li, zu ihrem Vorteil und führten Neutronenbildgebung an einer speziell gebauten Lithium-Schwefel-Festkörperbatterie durch. Durch die Verwendung eines höheren ⁶Li-Gehalts in der Anode und den Einsatz von natürlichem Lithium im Festelektrolytseparator und der Kathode wurde der Kontrast erhöht, was dabei half, während der anfänglichen Entladung zu erkennen, welche der mobilen Lithiumionen von der Anode durch die Zelle diffundierten und welche waren zunächst im Festelektrolyten enthalten. Da Neutronen empfindlich auf die verschiedenen Lithiumisotope reagieren, zeigte die operando-Neutronenradiographie die Lithiumionendiffusion durch die Zelle, während die In-situ-Neutronentomographie die Verteilung der eingefangenen Lithiumionen innerhalb der Zelle im geladenen und entladenen Zustand darstellen konnte.

Image: a) Representation of the cell setup for neutron imaging, with cell composition displayed in the expanded regions. b) Radiography images showing neutron attenuation for a cell where the Li–In anode is enriched with ⁶Li (top) and one where all Li is the naturally occurring isotopic mix (bottom). The images are displayed within the same contrast range and show a cell in the pristine state. c) Plots displaying the cross‐section of the median neutron attenuation (Σmedian) across the images displayed in (b)

Source: Robert Bradbury, Nikolay Kardjilov, Georg F. Dewald, Alessandro Tengattini/ Visualizing Lithium Ion Transport in Solid‐State Li–S Batteries Using Li Contrast Enhanced Neutron Imaging/ Advanced Functional Materials 33(38), June 2023/ DOI:10.1002/adfm.202302619/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Ebenfalls im Jahr 2023 nutzten Wissenschaftler groß angelegte Molekulardynamiksimulationen, um die atomistischen Wege und Energiebarrieren der Lithiumkristallisation an den Festkörpergrenzflächen zu untersuchen und aufzudecken. Es wurde festgestellt, dass die Lithiumkristallisation über mehrstufige Wege verläuft, die durch Grenzflächen-Lithiumatome mit ungeordneten und zufällig-geschlossen-gepackten Konfigurationen als Zwischenschritte vermittelt werden, was die Energiebarriere der Kristallisation verursacht. Dies ermöglichte die Ausweitung der Anwendbarkeit der Ostwaldschen Stufenregel, also der Bildung polymorpher Strukturen, auf Grenzflächenatomzustände und ermöglichte eine rationale Strategie für die Kristallisation mit niedrigeren Barrieren, indem günstige Grenzflächenatomzustände als Zwischenschritte durch Grenzflächentechnik gefördert wurden.

Image: A schematic of multiple-step pathways of Li crystallization The Li⁺ (orange, anion shown in red) in solid electrolytes (SE) goes through disordered-Li (cyan) and/or rHCP (random hexagonal close-packed)-Li (green) in the interfacial Li layer at the SE interface, and transforms into the crystalline BCC (body-centered cubic)-Li metal (blue)

Source: Menghao Yang, Yunsheng Liu, Yifei Mo/ Lithium crystallization at solid interfaces/ Nature Communications 14(1), May 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38757-2/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Die Beschichtung des Elektrolyten in Festkörperbatterien hat mehrere Vorteile: Das Team stellte fest, dass dadurch die Reaktivität des Elektrolyten mit der Lithiumanode deutlich verringert wurde. Es reduzierte auch die Geschwindigkeit, mit der Elektronen aus dem Elektrolyten austreten. Dies ist wichtig, da angenommen wird, dass austretende Elektronen zu Reaktionen führen, die zur Bildung von Dendriten führen können. Zusammengenommen können die Vorteile der Beschichtung die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge einer Festkörperbatterie deutlich erhöhen, bevor ihre Leistung nachlässt. Die Wissenschaftler glauben, dass die Beschichtung einen besseren Kontakt des Elektrolyten mit der Anode ermöglicht. Sie beobachteten auch einen unerwarteten Vorteil der Beschichtung: Sie konnte die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten verdoppeln.

Der erfolgreiche Abschluss der Studie ist ein großer Beitrag zur Förderung der Feststoffbatterietechnologie. Die Beschichtungstechnik kann mit unterschiedlichen Elektrolyten und Beschichtungen eingesetzt werden, wodurch ein breites Spektrum unterschiedlicher Festkörperbatterietypen entstehen könnte.

Von der Redaktion