20.09.2022 - Tokyo Metropolitan University

Zerstörungsfreie Methode zur Messung des Zustands von Elektrofahrzeugbatterien der nächsten Generation

Elektrochemische Impedanzspektroskopie zeigt, wie sich Lithium-Metall-Festkörperbatterien abbauen

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben gezeigt, dass die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ein leistungsfähiges, zerstörungsfreies Instrument zur Untersuchung der Degradationsmechanismen von Lithium-Metall-Batterien in festem Zustand sein kann. Sie untersuchten keramische All-Solid-State-Li-Metall-Batterien, die durch Aerosolabscheidung und Erhitzung hergestellt wurden, und identifizierten die spezifische Schnittstelle, die für den Leistungsabfall verantwortlich ist. Ihre Arbeit zeigt genau die technischen Hürden auf, die überwunden werden müssen, um diese erstklassigen Batterien auf den Markt zu bringen.

Elektrofahrzeuge (EVs) sind ein entscheidender Bestandteil der weltweiten Bemühungen zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen. Das Herzstück eines jeden Elektrofahrzeugs ist seine Batterie. Das Batteriedesign bleibt ein entscheidender Engpass, wenn es darum geht, die Reichweite zu maximieren und die Fahrzeugsicherheit zu verbessern. Eine der vorgeschlagenen Lösungen, Lithium-Metall-Batterien in Festkörperbauweise, hat das Potenzial, eine höhere Energiedichte, Sicherheit und geringere Komplexität zu bieten, aber technische Probleme behindern nach wie vor ihren Einsatz in Alltagsfahrzeugen.

Ein Hauptproblem ist der große Grenzflächenwiderstand zwischen Elektroden und Festelektrolyten. Bei vielen Batteriekonstruktionen sind sowohl die Kathoden- als auch die Elektrolytmaterialien aus spröder Keramik, was einen guten Kontakt zwischen ihnen erschwert. Eine weitere Herausforderung besteht darin, zu diagnostizieren, welche Schnittstelle tatsächlich Probleme verursacht. Die Untersuchung der Degradation von Lithium-Metall-Batterien in festem Zustand erfordert in der Regel das Aufschneiden der Batterie: Dies macht es unmöglich, herauszufinden, was passiert, während die Batterie in Betrieb ist.

Ein Team unter der Leitung von Professor Kiyoshi Kanamura an der Tokyo Metropolitan University hat mit Hilfe einer Technik namens Aerosoldeposition Festkörper-Li-Metall-Batterien mit geringerem Grenzflächenwiderstand entwickelt. Dabei werden mikroskopisch kleine Brocken des Kathodenmaterials auf eine Schicht aus keramischem Elektrolytmaterial geschleudert, wo sie zusammenstoßen und eine dichte Schicht bilden. Um das Problem der Rissbildung beim Aufprall zu lösen, beschichtete das Team die Kathodenbrocken mit einem "Lötmittel", d. h. einem weicheren Material mit niedrigem Schmelzpunkt, das wärmebehandelt werden kann, um einen hervorragenden Kontakt zwischen der neu gebildeten Kathode und dem Elektrolyten herzustellen. Die endgültige Festkörper-Li/Li7La3Zr2O12/LiCoO2-Zelle liefert eine hohe anfängliche Entladekapazität von 128 mAh g-1 sowohl bei 0,2 als auch bei 60 °C und behält nach 30 Lade-/Entladezyklen eine hohe Kapazitätserhaltung von 87 %. Dies ist das beste Ergebnis in der Klasse der Festkörper-Li-Metall-Batterien mit keramischen Oxidelektrolyten, weshalb es umso wichtiger ist, sich mit der möglichen Degradation dieser Batterien zu befassen.

Dazu verwendete das Team die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), ein weit verbreitetes Diagnoseinstrument in der Elektrochemie. Indem sie auswerteten, wie die Zelle auf elektrische Signale unterschiedlicher Frequenz reagiert, konnten sie die Widerstände der verschiedenen Grenzflächen in ihrer Batterie herausfiltern. Im Fall ihrer neuen Zelle fanden sie heraus, dass ein erhöhter Widerstand zwischen dem Kathodenmaterial und dem Lot der Hauptgrund für den Kapazitätsabfall der Zelle war. Bemerkenswert ist, dass sie dies feststellen konnten, ohne die Zelle zu zerlegen. Sie konnten dies auch mit Hilfe der In-situ-Elektronenmikroskopie nachweisen, wobei sie die Rissbildung an der Grenzfläche während des Zyklus eindeutig identifizieren konnten.

Die Innovationen des Teams haben nicht nur ein bahnbrechendes Batteriedesign hervorgebracht, sondern auch die nächsten Schritte für weitere Verbesserungen mit einer beschädigungsfreien, allgemein verfügbaren Methode aufgezeigt. Ihr neues Paradigma verspricht aufregende neue Fortschritte für Batterien in der nächsten Generation von Elektrofahrzeugen.

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