16.06.2020 - Georgia Institute of Technology

Spontane Bildung von nanoskaligen Hohlstrukturen könnte die Batteriespeicherung ankurbeln

Eine unerwartete Eigenschaft von Antimonkristallen im Nanometerbereich - die spontane Bildung von Hohlstrukturen - könnte dazu beitragen, der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte zu verleihen, ohne die Lebensdauer der Batterie zu verkürzen. Die reversibel aushöhlenden Strukturen könnten es Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen, mehr Energie zu speichern und somit zwischen den Ladevorgängen mehr Leistung zu liefern.

Der Fluss von Lithium-Ionen in und aus legierten Batterieanoden ist seit langem ein begrenzender Faktor dafür, wie viel Energie Batterien mit herkömmlichen Materialien aufnehmen können. Ein zu starker Ionenfluss führt dazu, dass Anodenmaterialien während der Lade- und Entladezyklen aufquellen und dann schrumpfen, was eine mechanische Degradation verursacht, die die Lebensdauer der Batterie verkürzt. Um dieses Problem zu beheben, haben Forscher zuvor hohle "Dotterhüllen"-Nanopartikel entwickelt, die die durch den Ionenfluss verursachte Volumenänderung aufnehmen, aber ihre Herstellung war komplex und kostspielig.

Nun hat ein Forschungsteam entdeckt, dass Teilchen, die tausendmal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sind, während des Ladungs-Entladungs-Zyklus spontan hohle Strukturen bilden, ohne ihre Größe zu verändern, so dass mehr Ionenfluss möglich ist, ohne die Anoden zu beschädigen.

"Die absichtliche Entwicklung von hohlen Nanomaterialien wird schon seit einiger Zeit betrieben, und dies ist ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Lebensdauer und Stabilität von Batterien mit hoher Energiedichte", sagte Matthew McDowell, Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und der School of Materials Science and Engineering am Georgia Institute of Technology. "Das Problem bestand darin, dass die direkte Synthese dieser hohlen Nanostrukturen im großen Maßstab, wie sie für kommerzielle Anwendungen benötigt wird, eine Herausforderung und teuer ist. Unsere Entdeckung könnte einen einfacheren, rationelleren Prozess bieten, der zu einer Leistungssteigerung führen könnte, ähnlich wie die absichtlich hergestellten Hohlstrukturen.

Die Forscher machten ihre Entdeckung mit Hilfe eines hochauflösenden Elektronenmikroskops, das es ihnen ermöglichte, Batteriereaktionen, wie sie im Nanomaßstab ablaufen, direkt sichtbar zu machen. "Dies ist eine knifflige Art von Experiment, aber wenn man geduldig ist und die Experimente richtig macht, kann man wirklich wichtige Dinge darüber lernen, wie sich die Materialien in Batterien verhalten", sagte McDowell.

Das Team, dem Forscher der ETH Zürich und des Oak Ridge National Laboratory angehörten, nutzte auch die Modellierung, um einen theoretischen Rahmen für das Verständnis zu schaffen, warum die Nanopartikel beim Entfernen von Lithium aus der Batterie spontan aushöhlen - statt zu schrumpfen.

Die Fähigkeit, während des Batteriezyklus Hohlpartikel zu bilden und reversibel zu füllen, tritt nur bei oxidbeschichteten Antimon-Nanokristallen mit einem Durchmesser von weniger als etwa 30 Nanometern auf. Das Forschungsteam fand heraus, dass dieses Verhalten auf einer elastischen nativen Oxidschicht beruht, die eine anfängliche Ausdehnung während der Lithiation - dem Fluss von Ionen in die Anode - ermöglicht, aber mechanisch eine Schrumpfung verhindert, da Antimon während der Entfernung der Ionen, einem als Delithiation bekannten Prozess, Hohlräume bildet.

Das Ergebnis war ein wenig überraschend, da frühere Arbeiten zu verwandten Materialien an größeren Teilchen durchgeführt worden waren, die sich ausdehnen und zusammenziehen, anstatt hohle Strukturen zu bilden. "Als wir das ausgeprägte Aushöhlungsverhalten zum ersten Mal beobachteten, war es sehr aufregend, und wir wussten sofort, dass dies wichtige Auswirkungen auf die Batterieleistung haben könnte", sagte McDowell.

Antimon ist relativ teuer und wird derzeit nicht in kommerziellen Batterieelektroden verwendet. McDowell glaubt jedoch, dass die spontane Aushöhlung auch bei weniger kostspieligen verwandten Materialien wie Zinn auftreten kann. Die nächsten Schritte würden das Testen anderer Materialien und die Kartierung eines Pfades zur kommerziellen Maßstabsvergrößerung umfassen.

"Es wäre interessant, andere Materialien zu testen, um zu sehen, ob sie sich nach einem ähnlichen Aushöhlungsmechanismus umwandeln", sagte er. "Dies könnte die Palette der für die Verwendung in Batterien verfügbaren Materialien erweitern. Die kleinen Testbatterien, die wir hergestellt haben, zeigten eine vielversprechende Lade- und Entladeleistung, so dass wir die Materialien in größeren Batterien evaluieren möchten".

Obwohl sie kostspielig sein mögen, haben die selbstaushöhlenden Antimon-Nanokristalle eine weitere interessante Eigenschaft: Sie könnten auch in Natrium-Ionen- und Kalium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, neu entstehende Systeme, für die noch viel mehr Forschung nötig ist.

"Diese Arbeit fördert unser Verständnis darüber, wie sich diese Art von Material in Batterien entwickelt", sagte McDowell. "Diese Informationen werden für die Implementierung des Materials oder verwandter Materialien in die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien, die mehr Energie speichern können und genauso langlebig sein werden wie die heutigen Batterien, von entscheidender Bedeutung sein.

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