19.08.2020 - Idaho National Laboratory

Seltenes glasartiges Metall bei der Suche nach einer verbesserten Batterieleistung entdeckt

Materialwissenschaftler machten eine erstaunliche Entdeckung, die die Tür zu besseren Batterien, schnelleren Katalysatoren und anderen Sprüngen in der Materialwissenschaft öffnen könnte

Wissenschaftler vom Idaho National Laboratory und der University of California San Diego untersuchten die frühesten Stadien der Lithiumaufladung und erfuhren, dass langsames, energiearmes Laden dazu führt, dass die Elektroden die Atome ungeordnet sammeln, was das Ladeverhalten verbessert. Dieses nichtkristalline, "glasartige" Lithium war nie beobachtet worden, und die Erzeugung solcher amorphen Metalle war traditionell äußerst schwierig.

Die Ergebnisse legen Strategien für die Feinabstimmung von Wiederaufladungsansätzen zur Erhöhung der Batterielebensdauer und - was noch interessanter ist - zur Herstellung von glasartigen Metallen für andere Anwendungen nahe.

Lithiummetall ist eine bevorzugte Anode für hochenergetische wiederaufladbare Batterien. Dennoch ist der Wiederaufladungsprozess (Abscheidung von Lithiumatomen auf der Anodenoberfläche) auf atomarer Ebene nicht gut verstanden. Die Art und Weise, wie Lithiumatome auf der Anode abgeschieden werden, kann von einem Aufladezyklus zum nächsten variieren, was zu unregelmäßiger Aufladung und einer verkürzten Lebensdauer der Batterie führt.

Das INL/UCSD-Team fragte sich, ob die Wiederauflademuster durch die früheste Ansammlung der ersten paar Atome beeinflusst wurden, ein Prozess, der als Nukleation bekannt ist.

"Diese anfängliche Keimbildung kann die Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit Ihrer Batterie beeinträchtigen", sagte Gorakh Pawar, ein Wissenschaftler des INL und einer der beiden Hauptautoren der Arbeit.

Die Forscher kombinierten Bilder und Analysen von einem leistungsstarken Elektronenmikroskop mit Flüssig-Stickstoff-Kühlung und Computermodellierung. Die Kryostate-Elektronenmikroskopie ermöglichte es ihnen, die Entstehung von Lithium-Metall-"Embryonen" zu sehen, und die Computersimulationen halfen ihnen zu erklären, was sie sahen.

Insbesondere stellten sie fest, dass unter bestimmten Bedingungen eine weniger strukturierte Form von Lithium entstand, die amorph (wie Glas) und nicht kristallin (wie Diamant) war.

"Die Kraft der kryogenen Bildgebung zur Entdeckung neuer Phänomene in der Materialwissenschaft wird in dieser Arbeit gezeigt", sagte Shirley Meng, die die bahnbrechende Arbeit der UC San Diego im Bereich der Kryomikroskopie leitete. Die bildgebenden und spektroskopischen Daten sind oft verschachtelt, sagte sie. "Echte Teamarbeit ermöglichte es uns, die experimentellen Daten mit Zuversicht zu interpretieren, weil die rechnergestützte Modellierung half, die Komplexität zu entschlüsseln.

Reine amorphe elementare Metalle waren noch nie zuvor beobachtet worden. Sie sind extrem schwierig herzustellen, so dass normalerweise Metallmischungen (Legierungen) erforderlich sind, um eine "glasartige" Konfiguration zu erreichen, die starke Materialeigenschaften verleiht.

Während des Wiederaufladens blieben die glasigen Lithium-Embryonen während des gesamten Wachstums eher amorph. Bei der Untersuchung, welche Bedingungen die glasige Keimbildung begünstigten, war das Team erneut überrascht.

"Wir können amorphes Metall unter sehr milden Bedingungen mit einer sehr langsamen Aufladungsrate herstellen", sagte Boryann Liaw, ein Mitarbeiter des INL-Direktoriums und Leiter des INL bei der Arbeit. "Das ist ziemlich überraschend."

Dieses Ergebnis war nicht eingängig, da die Experten davon ausgingen, dass die Atome bei langsamen Abscheidungsraten den Weg in ein geordnetes, kristallines Lithium finden würden. Die Modellierungsarbeit erklärte jedoch, wie die Reaktionskinetik die glasartige Formation antreibt. Das Team bestätigte diese Erkenntnisse, indem es glasartige Formen von vier weiteren reaktiven Metallen schuf, die für Batterieanwendungen attraktiv sind.

Die Forschungsergebnisse könnten dazu beitragen, die Ziele des Battery500-Konsortiums zu erreichen, einer Initiative des Energieministeriums, das die Forschung finanziert hat. Ziel des Konsortiums ist die Entwicklung kommerziell nutzbarer Batterien für Elektrofahrzeuge mit einer spezifischen Energie auf Zellenebene von 500 Wh/kg. Außerdem könnte dieses neue Verständnis zu wirksameren Metallkatalysatoren, stärkeren Metallbeschichtungen und anderen Anwendungen führen, die von glasartigen Metallen profitieren könnten.

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