Ansatzpunkte zur Beschleunigung der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien

Neue Erkenntnisse zeigen, wie die Degradation von Festkörperbatterien an der Kathode im Niederdruckbetrieb erfolgt

11.12.2023
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Symbolbild

All-Solid-State-Batterien werden oft als "Traumbatterien" bezeichnet und sind die nächste Generation von Batterien, um deren Markteinführung sich viele Batteriehersteller bemühen. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die einen flüssigen Elektrolyten verwenden, sind alle Komponenten, einschließlich des Elektrolyten, der Anode und der Kathode, fest, wodurch die Explosionsgefahr verringert wird, und sie sind auf Märkten, die von Automobilen bis zu Energiespeichersystemen (ESS) reichen, sehr gefragt. Geräte, die den hohen Druck (mehrere zehn MPa) aufrechterhalten, der für einen stabilen Betrieb von Festkörperbatterien erforderlich ist, weisen jedoch Probleme auf, die die Batterieleistung (z. B. Energiedichte und Kapazität) beeinträchtigen, und müssen für die Kommerzialisierung gelöst werden.

Dr. Hun-Gi Jung und sein Team am Energy Storage Research Center des Korea Institute of Science and Technology (KIST) haben nun Degradationsfaktoren identifiziert, die zu einem schnellen Kapazitätsabbau und einer verkürzten Lebensdauer führen, wenn All-Solid-State-Batterien bei ähnlichen Drücken wie Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden. Im Gegensatz zu früheren Studien bestätigten die Forscher zum ersten Mal, dass die Degradation sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kathode auftreten kann, was zeigt, dass All-Solid-State-Batterien in Zukunft auch in Niederdruckumgebungen zuverlässig betrieben werden können.

In All-Solid-State-Batterien verändern Kathode und Anode bei wiederholtem Laden und Entladen ihr Volumen, was zu Grenzflächendegradation wie Seitenreaktionen und Kontaktverlusten zwischen aktiven Materialien und Festelektrolyten führt, die den Grenzflächenwiderstand erhöhen und die Zellleistung verschlechtern. Um dieses Problem zu lösen, werden externe Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung eines hohen Drucks verwendet, was jedoch den Nachteil hat, dass die Energiedichte mit zunehmendem Gewicht und Volumen der Batterie abnimmt. In jüngster Zeit wird das Innere der Festkörperzelle erforscht, um die Leistung der Zelle auch in Umgebungen mit niedrigem Druck zu erhalten.

Das Forschungsteam analysierte die Ursache für die Leistungsverschlechterung durch wiederholtes Betreiben einer Münzbatterie mit einem sulfidbasierten Festelektrolyten in einer Niederdruckumgebung von 0,3 MPa, ähnlich wie bei einer Li-Ionen-Batterie vom Münztyp. Nach 50 Lade-/Entladezyklen hatte sich das Volumen der NCM-Kathodenschicht um etwa das Doppelte vergrößert, und eine Querschnittsbildanalyse bestätigte, dass sich zwischen dem aktiven Kathodenmaterial und dem Festelektrolyten starke Risse gebildet hatten. Dies zeigte, dass neben dem Verlust des Grenzflächenkontakts auch die Rissbildung im Kathodenmaterial und die irreversible Kathodenphasenumwandlung die Ursachen für die Degradation im Niederdruckbetrieb sind.

Nachdem das Team das Lithium in der Kathode durch ein Isotop (6Li) ersetzt hatte, um es von dem im Festelektrolyten vorhandenen Lithium zu unterscheiden, konnte es mit Hilfe der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) erstmals den Mechanismus identifizieren, durch den der Lithiumverbrauch in der Kathode zur Verringerung der Gesamtkapazität der Zelle beiträgt. Während wiederholter Lade-/Entladezyklen drang Schwefel, ein Zersetzungsprodukt des Festelektrolyten, in die Risse im Kathodenmaterial ein und bildete Lithiumsulfid, ein nicht leitendes Nebenprodukt. Dadurch wurden die aktiven Lithiumionen verbraucht und die Kathodenphasenumwandlung gefördert, was zu einer Verringerung der Kapazität der Festkörperbatterien führte.

Durch die eindeutige Identifizierung der Ursache für die Degradation von All-Solid-State-Batterien in Niederdruck-Betriebsumgebungen bieten diese Analysemethoden einen Anhaltspunkt für die Lösung des Problems der schlechten Zykluseigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Wenn dieses Problem gelöst ist, wird erwartet, dass die Wirtschaftlichkeit von All-Solid-State-Batterien durch den Verzicht auf externe Zusatzgeräte, die eine Hauptursache für die steigenden Produktionskosten sind, gesichert werden kann.

"Für die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien ist es unerlässlich, neue Kathoden- und Anodenmaterialien zu entwickeln, die in einer druckfreien oder Niederdruckumgebung betrieben werden können, anstatt in der derzeitigen Druckumgebung", sagte Dr. Hun-Gi Jung vom KIST. "Bei der Anwendung von Festkörperbatterien mit niedrigem Druck für mittelgroße und große Anwendungen, wie z. B. Elektrofahrzeuge, wird erwartet, dass die bestehenden Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Batterien voll genutzt werden.

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