Durchbruch in der Festkörperbatterie-Technologie verbessert die Leistung von Lithium-Batterien grundlegend
Ein Forschungsteam, bestehend aus Professor Soojin Park vom Fachbereich Chemie, Doktorand Sangyeop Lee von der Abteilung für fortgeschrittene Materialwissenschaft, Dr. Sungjin Cho und Masterstudent Hyunbeen Choi vom Fachbereich Chemie der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) sowie Dr. Jin Hong Kim und Dr. Hongyeul Bae vom POSCO N.EX.T Hub, hat kürzlich die Leistung und Haltbarkeit von Festkörperbatterien erfolgreich verbessert. Dieser Durchbruch wurde durch die Anwendung eines neuartigen Verfahrens, der so genannten "Bottom Electroposition", ermöglicht. Die Forschungsergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift "Small" veröffentlicht.
Schematische Darstellung der Stabilisierung einer Lithium-Metall-Anoden-Batterie durch den Mechanismus der Bodenelektrolyse
POSTECH
Sekundärbatterien, die in verschiedenen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen eingesetzt werden, basieren im Allgemeinen auf flüssigen Elektrolyten. Die Entflammbarkeit von Flüssigelektrolyten birgt jedoch die Gefahr von Bränden. Aus diesem Grund wird derzeit an der Verwendung von Festelektrolyten und dem Metall Lithium (Li) in Festkörperbatterien geforscht, die eine sicherere Option darstellen.
Beim Betrieb von Festkörperbatterien wird Lithium auf eine Anode aufgebracht und die Bewegung der Elektronen zur Stromerzeugung genutzt. Während des Lade- und Entladevorgangs durchläuft das Lithiummetall einen Zyklus, in dem es Elektronen verliert, sich in ein Ion umwandelt, Elektronen zurückgewinnt und durch Elektrolyse wieder in seine metallische Form gebracht wird. Eine wahllose Elektroabscheidung von Lithium kann jedoch dazu führen, dass das verfügbare Lithium schnell aufgebraucht wird, was die Leistung und Haltbarkeit der Batterie erheblich beeinträchtigt.
Um dieses Problem zu lösen, hat das Forschungsteam in Zusammenarbeit mit dem POSCO N.EX.T Hub eine Anodenschutzschicht entwickelt, die aus einem funktionellen Bindemittel (PVA-g-PAA) für Festkörperbatterien besteht. Diese Schicht weist außergewöhnliche Lithiumtransfereigenschaften auf, die eine zufällige Elektroabscheidung verhindern und einen Prozess der "Bodenelektroabscheidung" fördern. Dadurch wird sichergestellt, dass das Lithium gleichmäßig von der Unterseite der Anodenoberfläche abgeschieden wird.
Mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops (SEM) führte das Forschungsteam eine Analyse durch, die die stabile Elektroabscheidung und Ablösung von Lithiumionen bestätigte. Dadurch wurde der unnötige Lithiumverbrauch erheblich reduziert. Die vom Team entwickelten Festkörperbatterien zeigten auch eine stabile elektrochemische Leistung über längere Zeiträume, selbst bei einer Lithiummetalldicke von 10 Mikrometern (μm) oder weniger.
Professor Soojin Park, der die Forschungsarbeiten leitete, äußerte sich engagiert: "Wir haben durch eine neuartige Strategie der Elektroabscheidung ein dauerhaftes All-Solid-State-Batteriesystem entwickelt." Er fügte hinzu: "Mit weiteren Forschungen wollen wir effektivere Wege zur Verbesserung der Batterielebensdauer und Erhöhung der Energiedichte finden." Aufbauend auf den Ergebnissen der Zusammenarbeit plant POSCO Holdings die Kommerzialisierung von Lithium-Metall-Anoden, einem Kernmaterial für die nächste Generation von Sekundärbatterien.
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