17.06.2021 - National Research Council of Science & Technology (NST)

Halbleitertechnologie mindert Brandrisiko in Elektrofahrzeugbatterien

Konvergenz von Halbleiterphysik und Elektrochemie führt zu einer effektiven Hemmung der Dendritenbildung durch halbleitende Passivierungsschichten

Trotz der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) bleibt die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) ein Problem, da sie ein Brand- und Explosionsrisiko darstellen. Unter den verschiedenen Ansätzen, dieses Problem anzugehen, haben koreanische Forscher die Halbleitertechnologie genutzt, um die Sicherheit von Li-Ionen-Batterien zu verbessern. Einem Forscherteam des Korea Institute of Science and Technology (KIST) unter der Leitung von Dr. Joong Kee Lee vom Center for Energy Storage Research ist es gelungen, durch die Bildung von schützenden halbleitenden Passivierungsschichten auf der Oberfläche von Li-Elektroden das Wachstum von Dendriten, Kristallen mit mehreren Verzweigungen, die Brände von EV-Batterien verursachen, zu verhindern.

Wenn Li-Ionen-Batterien geladen werden, werden Li-Ionen zur Anode (der negativen Elektrode) transportiert und lagern sich als Li-Metall an der Oberfläche ab; an dieser Stelle bilden sich baumartige Dendriten. Diese Li-Dendriten sind für die unkontrollierbaren Volumenschwankungen verantwortlich und führen zu Reaktionen zwischen der festen Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten, die einen Brand verursachen. Es überrascht nicht, dass dies die Leistung der Batterie stark beeinträchtigt.

Um die Dendritenbildung zu verhindern, setzte das Forscherteam Fulleren (C60), ein hoch elektronisch leitfähiges Halbleitermaterial, einem Plasma aus, was zur Bildung von halbleitenden Passivierungskohlenstoffschichten zwischen der Li-Elektrode und dem Elektrolyten führte. Die halbleitenden kohlenstoffhaltigen Passivierungsschichten lassen Li-Ionen durch, während sie Elektronen aufgrund der Erzeugung einer Schottky-Barriere blockieren. Indem sie die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Ionen auf der Elektrodenoberfläche und im Inneren verhindern, stoppen sie die Bildung von Li-Kristallen und das daraus resultierende Wachstum von Dendriten.

Die Stabilität der Elektroden mit den halbleitenden Passivierungs-Kohlenstoffschichten wurde mit Li/Li-symmetrischen Zellen in extremen elektrochemischen Umgebungen getestet, in denen typische Li-Elektroden bis zu 20 Lade-/Entladezyklen stabil bleiben. Die neu entwickelten Elektroden zeigten eine deutlich verbesserte Stabilität, wobei das Li-Dendritenwachstum für bis zu 1.200 Zyklen unterdrückt wurde. Darüber hinaus wurden bei Verwendung einer Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2)-Kathode zusätzlich zu der entwickelten Elektrode nach 500 Zyklen etwa 81 % der ursprünglichen Batteriekapazität beibehalten, was eine Verbesserung von etwa 60 % gegenüber herkömmlichen Li-Elektroden darstellt.

Der leitende Forscher Dr. Joong Kee Lee sagte: "Die effektive Unterdrückung des Dendritenwachstums auf Li-Elektroden ist entscheidend für die Verbesserung der Batteriesicherheit. Die in dieser Studie vorgeschlagene Technologie zur Entwicklung von hochsicheren Li-Metall-Elektroden liefert eine Blaupause für die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation, die kein Brandrisiko darstellen." Wie Dr. Lee erklärt, ist das nächste Ziel seines Teams die Verbesserung der kommerziellen Realisierbarkeit dieser Technologie: "Wir wollen die Herstellung der halbleitenden Passivierungs-Kohlenstoffschichten kostengünstiger machen, indem wir Fulleren durch weniger teure Materialien ersetzen."

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