09.11.2020 - Columbia University

Neue Technik ermöglicht Lithium-Metall-Batterien der nächsten Generation

Entdeckung könnte das Elektrolytdesign für stabile Lithium-Metall-Batterien optimieren und so eine leichte, kostengünstige und langlebige Energiespeicherung ermöglichen

Elektrofahrzeuge (EVs) sind vielversprechend für unsere energieeffiziente, nachhaltige Zukunft, aber zu ihren Einschränkungen gehört auch das Fehlen einer langlebigen Batterie mit hoher Energiedichte, die das Tanken auf Langstreckenfahrten reduziert. Dasselbe gilt für Häuser bei Stromausfällen und Ausfällen des Stromnetzes - kleine, effiziente Batterien, die ein Haus mehr als eine Nacht lang ohne Strom versorgen können, gibt es noch nicht. Lithiumbatterien der nächsten Generation, die eine leichte, langlebige und kostengünstige Energiespeicherung bieten, könnten die Branche revolutionieren, aber es gab eine Reihe von Herausforderungen, die eine erfolgreiche Kommerzialisierung verhindert haben.

Ein Hauptproblem besteht darin, dass wiederaufladbare Lithium-Metallanoden zwar eine Schlüsselrolle dabei spielen, wie gut diese neue Welle von Lithiumbatterien funktioniert, dass sie aber während des Batteriebetriebs sehr anfällig für das Wachstum von Dendriten sind, Mikrostrukturen, die zu gefährlichen Kurzschlüssen führen können, die sich entzünden und sogar explodieren können.

Forscher von Columbia Engineering berichten, dass sie herausgefunden haben, dass Alkalimetallzusätze, wie Kaliumionen, die Ausbreitung von Lithium-Mikrostrukturen während des Batteriebetriebs verhindern können. Sie verwendeten eine Kombination aus Mikroskopie, kernmagnetischer Resonanz (ähnlich einem MRI) und rechnergestützter Modellierung, um herauszufinden, dass die Zugabe kleiner Mengen Kaliumsalz zu einem herkömmlichen Lithiumbatterie-Elektrolyten eine einzigartige Chemie an der Lithium/Elektrolyt-Grenzfläche erzeugt.

"Insbesondere fanden wir heraus, dass Kaliumionen die Bildung unerwünschter chemischer Verbindungen mildern, die sich auf der Oberfläche von Lithiummetall ablagern und den Lithiumionentransport während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie verhindern, was letztlich das Wachstum der Mikrostruktur einschränkt", sagt Lauren Marbella, Assistenzprofessorin für Chemieingenieurwesen am PI des Teams.

Die Entdeckung ihres Teams, dass Alkalimetallzusätze das Wachstum nichtleitender Verbindungen auf der Oberfläche von Lithiummetall unterdrücken, unterscheidet sich von den traditionellen Elektrolytmanipulationsansätzen, die sich auf die Abscheidung leitender Polymere auf der Oberfläche des Metalls konzentriert haben. Die Arbeit ist eine der ersten tiefgreifenden Charakterisierungen der Oberflächenchemie von Lithiummetall mittels NMR und zeigt die Leistungsfähigkeit dieser Technik bei der Entwicklung neuer Elektrolyte für Lithiummetall. Die Ergebnisse von Marbella wurden durch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) ergänzt, die von Mitarbeitern der Viswanathan-Gruppe für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University durchgeführt wurden.

"Kommerzielle Elektrolyte sind ein Cocktail sorgfältig ausgewählter Moleküle", stellt Marbella fest. "Mit Hilfe von NMR- und Computersimulationen können wir endlich verstehen, wie diese einzigartigen Elektrolytformulierungen die Leistung von Lithium-Metall-Batterien auf molekularer Ebene verbessern. Diese Einsicht gibt den Forschern schliesslich die Werkzeuge an die Hand, die sie benötigen, um das Elektrolytdesign zu optimieren und stabile Lithium-Metall-Batterien zu ermöglichen".

Das Team testet nun Alkalimetallzusätze, die die Bildung schädlicher Oberflächenschichten verhindern, in Kombination mit traditionelleren Zusätzen, die das Wachstum leitfähiger Schichten auf Lithiummetall fördern. Sie verwenden auch aktiv NMR, um die Geschwindigkeit des Lithiumtransports durch diese Schicht direkt zu messen.

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