17.06.2019 - Carnegie Mellon University

Semi-flüssige Metallanode für Batterien der nächsten Generation

Neue Anode könnte helfen, eine sicherere hochenergetische Lithium-Metall-Batterie zu entwickeln

Forscher der Carnegie Mellon University's Mellon College of Science und College of Engineering haben eine halbflüssige Anode auf Lithiummetallbasis entwickelt, die ein neues Paradigma im Batteriedesign darstellt. Lithium-Batterien, die mit diesem neuen Elektrodentyp hergestellt werden, könnten eine höhere Kapazität haben und viel sicherer sein als typische Lithium-Metallbatterien, die Lithiumfolie als Anode verwenden.

Lithium-Batterien sind eine der häufigsten Arten von wiederaufladbaren Batterien, die in der modernen Elektronik verwendet werden, da sie hohe Energiemengen speichern können. Traditionell bestehen diese Batterien aus brennbaren flüssigen Elektrolyten und zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch eine Membran getrennt sind. Nachdem eine Batterie wiederholt aufgeladen und entladen wurde, können auf der Oberfläche der Elektrode Lithiumstränge, sogenannte Dendriten, wachsen. Die Dendriten können durch die Membran dringen, die die beiden Elektroden trennt. Dies ermöglicht den Kontakt zwischen Anode und Kathode, was zu einem Kurzschluss der Batterie und im schlimmsten Fall zu einem Brand führen kann.

"Die Integration einer metallischen Lithiumanode in Lithium-Ionen-Batterien hat das theoretische Potenzial, eine Batterie mit viel mehr Kapazität zu schaffen als eine Batterie mit einer Graphitanode", sagt Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University Professor für Naturwissenschaften am Department of Chemistry von Carnegie Mellon. "Aber das Wichtigste, was wir tun müssen, ist sicherzustellen, dass die Batterie, die wir herstellen, sicher ist."

Eine vorgeschlagene Lösung für die in den heutigen Batterien verwendeten flüchtigen flüssigen Elektrolyte besteht darin, sie durch feste keramische Elektrolyte zu ersetzen. Diese Elektrolyte sind hochleitfähig, nicht brennbar und stark genug, um Dendriten zu widerstehen. Forscher haben jedoch festgestellt, dass der Kontakt zwischen dem keramischen Elektrolyten und einer festen Lithiumanode nicht ausreicht, um die für die meisten elektronischen Geräte benötigte Energiemenge zu speichern und bereitzustellen.

Sipei Li, Doktorand am Carnegie Mellon's Department of Chemistry, und Han Wang, Doktorand am Carnegie Mellon's Department of Materials Science and Engineering, konnten diesen Mangel beheben, indem sie eine neue Materialklasse schufen, die als halbflüssige Metallanode verwendet werden kann.

In Zusammenarbeit mit Matyjaszewski, einem führenden Unternehmen der Polymerchemie und Materialwissenschaft, und Jay Whitacre, Treuhänderprofessor für Energie am College of Engineering und Direktor des Wilton E. Scott Institute for Energy Innovation in Carnegie Mellon, der für seine Arbeit bei der Entwicklung neuer Technologien zur Energiespeicherung und -erzeugung bekannt ist, schufen Li und Wang eine doppelt leitfähige Polymer/Kohle-Verbundmatrix, die Lithium-Mikropartikel gleichmäßig verteilt. Die Matrix bleibt bei Raumtemperatur fließfähig und kann so einen ausreichenden Kontakt mit dem Festelektrolyten herstellen. Durch die Kombination der halbflüssigen Metallanode mit einem granatbasierten Festkeramik-Elektrolyten konnten sie die Zelle mit einer 10-mal höheren Stromdichte als Zellen mit einem Festelektrolyten und einer herkömmlichen Lithiumfolienanode durchlaufen. Diese Zelle hatte auch eine viel längere Lebensdauer als herkömmliche Zellen.

"Dieser neue Verarbeitungsweg führt zu einer fließfähigen Batterieanode auf Lithiummetallbasis, die im Vergleich zu herkömmlichem Lithiummetall eine sehr attraktive Sicherheit und Leistung bietet. Die Einführung eines neuen Materials wie dieses könnte zu einem deutlichen Wandel bei Lithium-basierten wiederaufladbaren Batterien führen, und wir arbeiten intensiv daran, zu sehen, wie dies in einer Reihe von Batteriearchitekturen funktioniert", sagte Whitacre.

Die Forscher glauben, dass ihre Methode weitreichende Auswirkungen haben könnte. So könnten beispielsweise hochkapazitive Batterien für Elektrofahrzeuge und spezielle Batterien für den Einsatz in tragbaren Geräten, die flexible Batterien benötigen, hergestellt werden. Sie sind auch der Ansicht, dass ihre Methoden über Lithium hinaus auf andere wiederaufladbare Batteriesysteme, einschließlich Natriummetallbatterien und Kaliummetallbatterien, ausgedehnt werden könnten und dass sie für die Speicherung von Energie im Grid-Bereich eingesetzt werden könnten.

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