16.07.2021 - Sandia National Laboratories

Der versteckte Übeltäter, der Lithium-Metall-Batterien von innen tötet

Erstmalige Schnappschüsse enthüllen ein Nebenprodukt, das leistungsstarke, experimentelle Zellen lähmt

Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, zuverlässige Lithium-Metall-Batterien herzustellen. Diese Hochleistungsspeicherzellen fassen 50 % mehr Energie als ihre produktiven Vettern, die Lithium-Ionen-Akkus, aber höhere Ausfallraten und Sicherheitsprobleme wie Brände und Explosionen haben die Kommerzialisierungsbemühungen gelähmt. Forscher haben Hypothesen aufgestellt, warum die Geräte versagen, aber direkte Beweise waren bisher spärlich.

Die ersten Bilder im Nanomaßstab, die jemals im Inneren intakter Lithium-Metall-Knopfbatterien (auch Knopfzellen oder Uhrenbatterien genannt) aufgenommen wurden, stellen nun die vorherrschenden Theorien in Frage und könnten dazu beitragen, dass zukünftige Hochleistungsbatterien, z. B. für Elektrofahrzeuge, sicherer, leistungsfähiger und langlebiger werden.

"Wir lernen, dass wir Separator-Materialien verwenden sollten, die auf Lithium-Metall abgestimmt sind", sagte die Batterie-Wissenschaftlerin Katie Harrison, die das Team der Sandia National Laboratories zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Metall-Batterien leitet.

Die Sandia-Wissenschaftler, die mit Thermo Fisher Scientific Inc., der University of Oregon und dem Lawrence Berkeley National Laboratory zusammenarbeiten, veröffentlichten die Bilder kürzlich in ACS Energy Letters. Die Forschung wurde von Sandias Laboratory Directed Research and Development Programm und dem Department of Energy finanziert.

Internes Nebenprodukt baut sich auf und tötet Batterien

Das Team lud und entlud Lithium-Knopfzellen wiederholt mit dem gleichen intensiven Strom, den Elektrofahrzeuge zum Laden benötigen. Einige Zellen durchliefen ein paar Zyklen, während andere mehr als hundert Zyklen durchliefen. Anschließend wurden die Zellen zur Analyse an Thermo Fisher Scientific in Hillsboro, Oregon, geschickt.

Als das Team Bilder aus dem Inneren der Batterien untersuchte, erwarteten sie, nadelförmige Ablagerungen von Lithium zu finden, die sich über die gesamte Batterie verteilen. Die meisten Batterieforscher gehen davon aus, dass sich nach wiederholten Zyklen eine Lithiumspitze bildet, die einen Kunststoffseparator zwischen Anode und Kathode durchsticht und eine Brücke bildet, die einen Kurzschluss verursacht. Aber Lithium ist ein weiches Metall, so dass die Wissenschaftler nicht verstanden haben, wie es durch den Separator gelangen konnte.

Harrisons Team fand einen überraschenden zweiten Übeltäter: eine harte Ablagerung, die sich als Nebenprodukt der internen chemischen Reaktionen der Batterie bildete. Jedes Mal, wenn die Batterie aufgeladen wurde, wuchs das Nebenprodukt, das als feste Elektrolyt-Interphase bezeichnet wird. Es bedeckte das Lithium und riss Löcher in den Separator, wodurch Öffnungen für Metallablagerungen entstanden, die sich ausbreiten und einen Kurzschluss bilden konnten. Zusammen waren die Lithiumablagerungen und das Nebenprodukt viel zerstörerischer als bisher angenommen, sie wirkten weniger wie eine Nadel und mehr wie ein Schneepflug.

"Der Separator wird komplett zerfetzt", sagte Harrison und fügte hinzu, dass dieser Mechanismus nur bei schnellen Ladegeschwindigkeiten, die für Elektrofahrzeugtechnologien benötigt werden, beobachtet wurde, nicht aber bei langsameren Ladegeschwindigkeiten.

Während die Sandia-Wissenschaftler darüber nachdenken, wie sie die Separator-Materialien modifizieren können, sagt Harrison, dass auch weitere Forschungen notwendig sind, um die Bildung von Nebenprodukten zu reduzieren.

Wissenschaftler kombinieren Laser mit Kryogenik, um "kühle" Bilder zu machen

Die Bestimmung der Todesursache bei einer Knopfzelle ist überraschend schwierig. Das Problem liegt in ihrem Edelstahlgehäuse. Die Metallhülle schränkt das ein, was Diagnosemittel wie Röntgenstrahlen von außen sehen können, während das Entfernen von Teilen der Zelle für die Analyse die Schichten der Batterie aufreißt und die Beweise, die sich im Inneren befinden könnten, verzerrt.

"Wir haben verschiedene Werkzeuge, die verschiedene Komponenten einer Batterie untersuchen können, aber wir hatten bisher kein Werkzeug, das alles in einem Bild auflösen kann", sagt Katie Jungjohann, eine Wissenschaftlerin für Bildgebung im Nanobereich am Center for Integrated Nanotechnologies von Sandia. Das Zentrum ist eine gemeinsam von den Sandia und Los Alamos National Laboratories betriebene Anwendereinrichtung.

Sie und ihre Mitarbeiter benutzten ein Mikroskop, das mit einem Laser ausgestattet ist, um sich durch das äußere Gehäuse einer Batterie zu fräsen. Sie koppelten es mit einem Probenhalter, der das flüssige Elektrolyt der Zelle bei Temperaturen zwischen minus 148 und minus 184 Grad Fahrenheit (minus 100 bzw. minus 120 Grad Celsius) gefroren hält. Der Laser erzeugt eine Öffnung, die gerade groß genug ist, damit ein schmaler Elektronenstrahl eindringen und auf einen Detektor zurückprallen kann, der ein hochauflösendes Bild des inneren Querschnitts der Batterie mit genügend Details liefert, um die verschiedenen Materialien zu unterscheiden.

Das ursprüngliche Demonstrationsgerät, das damals das einzige dieser Art in den Vereinigten Staaten war, wurde gebaut und befindet sich noch immer in einem Labor von Thermo Fisher Scientific in Oregon. Ein aktualisiertes Duplikat befindet sich nun in Sandia. Das Gerät wird bei Sandia in großem Umfang eingesetzt, um bei der Lösung vieler Material- und Fehleranalyseprobleme zu helfen.

"Das ist es, was sich Batterieforscher schon immer gewünscht haben", sagte Jungjohann.

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