Bessere Batterieherstellung: Roboterlabor testet neue Strategie für Reaktionsdesign

Durch das Mischen unkonventioneller Zutaten in der richtigen Reihenfolge können komplexe Materialien mit weniger Verunreinigungen hergestellt werden

11.04.2024
Advanced Materials Lab, Samsung Advanced Institute of Technology-America, Samsung Semiconductor.

ASTRAL, das Roboterlabor von Samsung, verwendet automatisierte Roboterarme, um Laborgeräte, Reagenzien und Proben zu manipulieren. Während das Labor Batteriematerialien nach einem vorprogrammierten Rezept herstellt, zeichnet es automatisch Daten über die Qualität der Materialien auf dem Weg auf. Die Aufzeichnungen ermöglichen es den Forschern, eine große Anzahl von Rezepten in reproduzierbarer Weise zu bewerten. Eine an einem Roboterarm befestigte Klemme greift ein Gestell mit Reagenzgläsern. Der Arm wird die Reagenzgläser bald zu einem Spender transportieren, indem er sich entlang einer schwarzen Schiene bewegt, die sich zwischen den Instrumenten des Labors befindet.

Dank eines neuen Ansatzes zur Herstellung chemisch komplexer Materialien, den Forscher der University of Michigan und des Advanced Materials Lab von Samsung demonstriert haben, könnten neue Chemikalien für Batterien, Halbleiter und mehr einfacher herzustellen sein.

Ihre neuen Rezepte verwenden unkonventionelle Zutaten, um Batteriematerialien mit weniger Verunreinigungen herzustellen, was weniger kostspielige Veredelungsschritte erfordert und ihre Wirtschaftlichkeit erhöht.

"In den letzten zwei Jahrzehnten wurden viele Batteriematerialien mit verbesserter Kapazität, Ladegeschwindigkeit und Stabilität rechnerisch entwickelt, haben es aber nicht auf den Markt geschafft", sagte Wenhao Sun, Dow Early Career Professor of Materials Science and Engineering an der U-M und korrespondierender Autor der in Nature Synthesis veröffentlichten Studie.

"Oft ist ein einfaches Material ein guter Ausgangspunkt, aber wenn man ein bisschen von Verbindung A und ein bisschen von Verbindung B hinzufügt, geschieht Magie und man erhält große Verbesserungen bei der Kapazität oder der Ladegeschwindigkeit. Allerdings ist es oft schwierig, diese chemisch komplexen Materialien in großem Maßstab mit hoher Reinheit herzustellen."

Batteriematerialien werden in der Regel durch Mischen verschiedener Oxidpulver und Brennen in einem Ofen hergestellt. Diese Pulver reagieren jedoch nicht alle gleichzeitig, sondern nacheinander. Die ersten beiden Bestandteile, die reagieren, sind in der Regel diejenigen, die bei der Reaktion die meiste Energie freisetzen. Die erste Reaktion führt zu einer Zwischenverbindung, die dann mit dem restlichen Pulver reagiert, und so weiter, bis keine weiteren Reaktionen mehr möglich sind.

Wenn die chemischen Bindungen in den Zwischenprodukten schwer zu brechen sind, reagieren sie möglicherweise nicht vollständig mit den anderen Bestandteilen. Wenn sie nicht vollständig reagieren, bleiben die Zwischenprodukte als unerwünschte Verunreinigungen im Endprodukt zurück.

"Wir haben eine Strategie entwickelt, mit der wir verunreinigungsfreie Materialien zuverlässiger herstellen können", sagt Jiadong Chen, Erstautor der Studie und U-M-Doktorand in den Bereichen Materialwissenschaft und Ingenieurwesen sowie wissenschaftliches Rechnen. "Der Trick besteht darin, jeweils nur mit zwei Bestandteilen zu arbeiten und absichtlich instabile Zwischenprodukte herzustellen, die dann vollständig mit den übrigen Bestandteilen reagieren".

Um diese Strategie zu testen, entwickelte Suns Team 224 verschiedene Rezepte, um 35 verschiedene bekannte Materialien herzustellen, die Elemente enthalten, die in heutigen Batterien und in der nächsten Generation von "Beyond-Lithium"-Batterien verwendet werden.

Die Forscher arbeiteten dann mit dem Advanced Materials Lab von Samsung Semiconductor in Cambridge, Massachusetts, zusammen, um zu testen, ob ihre Rezepturen diese 35 Materialien mit weniger Verunreinigungen als herkömmliche Rezepturen erzeugen. Das automatisierte Roboterlabor von Samsung kann alle 72 Stunden bis zu 24 verschiedene Batteriematerialien synthetisieren.

Roboterarme handhaben die Zutaten und bedienen die Laborgeräte, mit denen die Reinheit der resultierenden Materialien bewertet wird. In der Zwischenzeit zeichnen Computer automatisch die Ergebnisse jedes Experiments auf und erstellen eine Datenbank, anhand derer die Forscher feststellen können, welche Rezepte am besten funktionieren.

"Mit dem automatischen Labor konnten wir unsere Hypothese auf breiter Basis an verschiedenen Batteriechemien testen", so Chen.

Die Experimente bestätigten, dass die neuen Rezepturen mit instabilen Inhaltsstoffen tendenziell sauberere Produkte ergeben. Die neuen Rezepte verbesserten die Reinheit der Materialien um bis zu 80 %, und sechs der Zielmaterialien konnten nur mit den neuen Rezepten hergestellt werden.

Die Pläne für das Roboterlabor wurden in dem Bericht des Teams detailliert beschrieben. Sun hofft, dass mehr Chemielabors Roboterlabore sowohl für die Wissenschaft als auch für die Materialherstellung einsetzen werden.

"Wir brauchen mehr Daten - nicht nur von erfolgreichen, sondern auch von erfolglosen Rezepten - um die Strategien zur Materialherstellung zu verbessern. Mehr Roboterlabore werden dazu beitragen, die benötigten Daten zu generieren", so Sun.

Diese Labore sind für die meisten Forschungseinrichtungen erschwinglich und könnten die Materialentwicklung erheblich beschleunigen, so die Forscher.

"Die Startkosten für die Roboterausrüstung liegen bei etwa 120.000 Dollar - nicht so hoch, wie man meinen könnte. Aber die Vorteile in Bezug auf Durchsatz, Zuverlässigkeit und Datenmanagement sind von unschätzbarem Wert", so der Mitautor der Studie, Yan Eric Wang, leitender Ingenieur und Projektleiter des Advanced Materials Lab von Samsung.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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