20.02.2020 - University of California, San Diego

Ultraschallgerät verbessert Ladezeit und Laufzeit in Lithiumbatterien

Das Gerät bringt Lithium-Metall-Batterien einen Schritt näher an die Marktreife

Forscher an der Universität von Kalifornien San Diego haben ein Ultraschall-Emissionsgerät entwickelt, das Lithium-Metall-Batterien (LMBs) einen Schritt näher an die Marktreife bringt. Obwohl sich das Forschungsteam auf LMBs konzentrierte, kann das Gerät in jeder Batterie, unabhängig von der Chemie, eingesetzt werden.

Das von den Forschern entwickelte Gerät ist ein integraler Bestandteil der Batterie und arbeitet mit der Aussendung von Ultraschallwellen, um einen zirkulierenden Strom in der Elektrolytflüssigkeit zwischen Anode und Kathode zu erzeugen. Dadurch wird die Bildung von Lithium-Metall-Wachstum, genannt Dendriten, während des Ladevorgangs verhindert, die zu Leistungsminderung und Kurzschlüssen in LMBs führen.

Das Gerät wird aus handelsüblichen Smartphone-Komponenten hergestellt, die Schallwellen mit extrem hohen Frequenzen erzeugen - von 100 Millionen bis 10 Milliarden Hertz. In Telefonen werden diese Geräte hauptsächlich zur Filterung des drahtlosen Mobilfunksignals und zur Identifizierung und Filterung von Sprachanrufen und Daten verwendet. Die Forscher verwendeten sie stattdessen, um einen Fluss im Elektrolyten der Batterie zu erzeugen.

"Fortschritte in der Smartphone-Technologie haben es uns wirklich ermöglicht, Ultraschall zur Verbesserung der Batterietechnologie einzusetzen", sagte James Friend, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Jacobs School of Engineering an der UC San Diego und der entsprechende Autor der Studie.

Gegenwärtig werden LMBs nicht als praktikable Option für die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen bis hin zur Elektronik betrachtet, da ihre Lebensdauer zu kurz ist. Aber diese Batterien haben auch eine doppelt so hohe Kapazität wie die besten heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Beispielsweise hätten lithium-metallbetriebene Elektrofahrzeuge bei gleichem Batteriegewicht die doppelte Reichweite von lithiumionenbetriebenen Fahrzeugen.

Die Forscher zeigten, dass eine mit dem Gerät ausgestattete Lithium-Metall-Batterie für 250 Zyklen und eine Lithium-Ionen-Batterie für mehr als 2000 Zyklen geladen und entladen werden kann. Die Batterien wurden in 10 Minuten für jeden Zyklus von Null auf 100 Prozent aufgeladen.

"Diese Arbeit ermöglicht schnell aufladbare und hochenergetische Batterien in einem", sagte Ping Liu, Professor für Nanotechnik an der Jacobs School und der andere leitende Autor der Arbeit. "Es ist spannend und effektiv."

Das Team beschreibt seine Arbeit in der XX. Ausgabe der Zeitschrift Advanced Materials.

Die meisten Bemühungen in der Batterieforschung konzentrieren sich darauf, die perfekte Chemie zu finden, um Batterien zu entwickeln, die länger halten und schneller geladen werden können, sagte Liu. Im Gegensatz dazu versuchte das Team der UC San Diego, ein grundlegendes Problem zu lösen: die Tatsache, dass in traditionellen Metallbatterien die Elektrolytflüssigkeit zwischen Kathode und Anode statisch ist. Wenn die Batterie geladen wird, ist das Lithium-Ion im Elektrolyten erschöpft, wodurch es wahrscheinlicher wird, dass sich Lithium ungleichmäßig auf der Anode ablagert. Dies wiederum führt zur Entwicklung nadelartiger Strukturen, die Dendriten genannt werden und die unkontrolliert von der Anode zur Kathode wachsen können, wodurch die Batterie kurzgeschlossen wird und sogar Feuer fängt. Die schnelle Aufladung beschleunigt dieses Phänomen.

Durch die Ausbreitung von Ultraschallwellen durch die Batterie bewirkt das Gerät, dass der Elektrolyt fließt, wodurch sich das Lithium im Elektrolyt wieder auffüllt und es wahrscheinlicher wird, dass das Lithium während des Ladevorgangs gleichmäßige, dichte Ablagerungen auf der Anode bildet.

Der schwierigste Teil des Prozesses war die Entwicklung des Geräts, sagte An Huang, der Erstautor der Arbeit und Doktorand der Materialwissenschaften an der UC San Diego. Die Herausforderung bestand darin, in extrem kleinem Maßstab zu arbeiten, die physikalischen Phänomene zu verstehen und einen effektiven Weg zu finden, das Gerät in die Batterie zu integrieren.

"Unser nächster Schritt wird die Integration dieser Technologie in kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien sein", sagte Haodong Liu, Mitverfasser des Papiers und Postdoktorand für Nanotechnik an der Jacobs School.

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