22.03.2022 - Tokyo Metropolitan University

Ionische Flüssigkeiten sorgen für Furore in Lithium-Metall-Festkörperbatterien der nächsten Generation

Quasi-Festkörper-Elektroden ermöglichen eine erhebliche Verringerung des Grenzflächenwiderstands

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben eine neue Quasi-Festkörperkathode für Lithium-Metall-Festkörperbatterien entwickelt, die einen deutlich geringeren Grenzflächenwiderstand zwischen der Kathode und einem Festelektrolyten aufweist. Durch die Zugabe einer ionischen Flüssigkeit konnte die modifizierte Kathode einen ausgezeichneten Kontakt mit dem Elektrolyten aufrechterhalten. Ihr Batterieprototyp zeigte auch eine gute Beibehaltung der Kapazität. Auch wenn die Suche nach der besten ionischen Flüssigkeit eine Herausforderung bleibt, verspricht diese Idee neue Wege in der Entwicklung von Lithium-Feststoffbatterien für praktische Anwendungen.

Lithium-Ionen-Batterien sind inzwischen allgegenwärtig und finden sich in unseren Smartphones, Laptops, Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen. Da wir jedoch nach besseren Lösungen mit höherer Energiedichte suchen, haben sich Wissenschaftler den Lithium-Metall-Festkörperbatterien zugewandt. Lithium-Metall-Batterien haben potenziell eine viel höhere Energiedichte als ihre Li-Ionen-Pendants. Sie gelten als die Zukunft der Batterien, die Fahrzeuge und Stromnetze in großem Maßstab antreiben können.

Allerdings gibt es technische Probleme, die verhindern, dass Lithium-Metall-Festkörperbatterien ihren Weg in anspruchsvolle Anwendungen finden. Ein Hauptproblem ist die Gestaltung der Schnittstelle zwischen Elektroden und festen Elektrolyten. Die Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien sind in der Regel flüssig und leicht entflammbar, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Deshalb hat man versucht, stattdessen einen Festkörperelektrolyten zu verwenden. Es ist jedoch schwierig, einen guten Kontakt zwischen Elektroden und Festelektrolyten herzustellen. Jede Oberflächenrauhigkeit auf beiden Seiten führt zu einem hohen Grenzflächenwiderstand, der die Leistung der Batterie beeinträchtigt. Es gibt bereits einige Arbeiten, die sich mit dem Design des Festelektrolyten befassen, aber das Design der Kathode bleibt eine offene Frage.

Ein Team unter der Leitung von Prof. Kiyoshi Kanamura von der Tokyo Metropolitan University hat neue Wege zur Verbesserung des Kontakts zwischen der Kathode und dem Festelektrolyten in Lithium-Metall-Festkörperbatterien entwickelt. Jetzt ist es ihnen gelungen, eine Quasi-Festkörperkathode aus Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) herzustellen, die eine ionische Flüssigkeit bei Raumtemperatur enthält. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus positiven und negativen Ionen; sie können auch Ionen transportieren. Wichtig ist, dass sie alle winzigen Hohlräume an der Grenzfläche zwischen Kathode und festem Elektrolyten füllen können. Durch das Füllen der Hohlräume wurde der Grenzflächenwiderstand erheblich verringert.

Die Methode des Teams hat noch weitere Vorteile. Ionische Flüssigkeiten sind nicht nur ionisch leitfähig, sondern auch fast nicht flüchtig und in der Regel nicht entflammbar. Außerdem haben sie nur minimale Auswirkungen auf die Aufschlämmung, aus der die Kathode geformt wird, so dass der Herstellungsprozess praktisch nicht beeinträchtigt wird. Das Team demonstrierte einen Prototyp einer Batterie, die mit ihrer Quasi-Festkörperkathode und einem festen "Granat"-Elektrolyten (in Anlehnung an seine Struktur) hergestellt wurde und eine gute Wiederaufladbarkeit mit 80 % Kapazitätserhalt nach 100 Lade-/Entladezyklen bei einer erhöhten Temperatur von 60 °C aufwies. Weitere Untersuchungen ergaben außerdem einen optimalen Gehalt an ionischer Flüssigkeit von 11 Gew.-%.

Es bleiben noch Fragen offen, z. B. die Suche nach einer besseren ionischen Flüssigkeit, die sich nicht so leicht zersetzt. Das neue Paradigma des Teams verspricht jedoch aufregende neue Wege für die Erforschung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien mit dem Potenzial, sie aus dem Labor heraus und in unser Leben zu bringen.

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