Versiebenfachung der Lebensdauer von anodenfreien Festkörperbatterien mit MoS₂-Dünnschichten

Einsatz kostengünstiger MoS₂-Dünnschichten anstelle teurer Edelmetalle löst die Probleme der ungleichmäßigen Lithiumbeschichtung und der Instabilität der Grenzflächen in anodenfreien Festkörperbatterien

23.06.2025

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Südkoreanische Forscher haben eine Technologie entwickelt, die die Lebensdauer von anodenfreien Festkörperbatterien der nächsten Generation (AFASSBs) um das Siebenfache erhöht, indem sie ein kostengünstiges zweidimensionales Material verwenden.

Ein Team unter der Leitung von Dr. Ki-Seok An und Dr. Dong-Bum Seo vom Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) hat zusammen mit der Gruppe von Prof. Sangbaek Park von der Chungnam National University die Lebensdauer von AFASSBs erfolgreich verbessert, indem es eine Opferschicht aus Molybdändisulfid (MoS₂), die mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf Stromabnehmern aus Edelstahl (SUS) aufgewachsen ist, verwendet hat.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden flüssige Elektrolyte und können während des Ladevorgangs unter dem Wachstum von Lithiumdendriten leiden - insbesondere aufgrund ungleichmäßiger Lithiumabscheidung auf der Anodenoberfläche -, die den Separator durchdringen und Kurzschlüsse oder thermisches Durchgehen verursachen können. Festkörperbatterien (Solid-State-Batteries, SSB), die entflammbare flüssige Elektrolyte durch Festkörperelektrolyte (Solid-State Electrolytes, SE) ersetzen, bieten mehr Sicherheit, eine höhere Energiedichte und eine stabile Leistung bei niedrigen Temperaturen.

AFASSBs gehen noch einen Schritt weiter und verzichten bei der Herstellung vollständig auf die Anode. Stattdessen wandern die Lithium-Ionen während der ersten Ladung von der Kathode ab und lagern sich auf dem Stromkollektor ab, wo sie eine Lithiumschicht bilden. Diese Struktur maximiert die Energiedichte durch Verringerung des Zellvolumens. Die wiederholte Lithiumabscheidung an der Schnittstelle zwischen SE und Stromkollektor (CC) führt jedoch häufig zu einer Instabilität der Grenzfläche und einer verkürzten Lebensdauer. Obwohl Edelmetallbeschichtungen (z. B. Ag, In) zur Stabilisierung der Grenzfläche verwendet wurden, behindern ihre hohen Kosten und die komplexe Verarbeitung die Kommerzialisierung.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, brachten die Forscher kostengünstige MoS₂-Nanoblech-Dünnschichten mittels MOCVD auf die SUS-CCs auf. Während des Zyklus durchläuft MoS₂ eine Umwandlungsreaktion mit Lithium zur Bildung von Mo-Metall und Lithiumsulfid (Li₂S), die als lithiophile Zwischenschicht fungieren. Diese Zwischenschicht trägt zur Unterdrückung des dendritischen Lithiumwachstums bei und verbessert die Stabilität der Grenzfläche.

In Tests zeigten Batterien mit MoS₂-beschichteten CCs einen stabilen Betrieb von über 300 Stunden, während Zellen mit blankem SUS nach etwa 95 Stunden einen Kurzschluss erlitten - eine 3,2-fache Verbesserung. Vollzellen mit MoS₂-Schichten erreichten außerdem eine 1,18-mal höhere anfängliche Entladekapazität (136,1 → 161,1 mAh/g) und eine siebenfach verbesserte Kapazitätserhaltung (8,3 % → 58,9 % nach 20 Zyklen).

Das Forscherteam befindet sich zwar noch in einem frühen Entwicklungsstadium, rechnet aber mit einer praktischen Umsetzung bis 2032. Sie betonten die Bedeutung des Ersatzes von Edelmetallen durch kostengünstiges MoS₂ für die Weiterentwicklung von AFASSBs. KRICT-Präsident Young-Kuk Lee erklärte: "Dies ist eine Kerntechnologie der nächsten Generation, die die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien für verschiedene Anwendungen beschleunigen könnte."

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Originalveröffentlichung

Dong-Bum Seo, Dohun Kim, Mee-Ree Kim, Jimin Kwon, Hyeong Jun Kook, Saewon Kang, Soonmin Yim, Sun Sook Lee, Dong Ok Shin, Ki-Seok An, Sangbaek Park; "Tailoring Artificial Solid Electrolyte Interphase via MoS2 Sacrificial Thin Film for Li-Free All-Solid-State Batteries"; Nano-Micro Letters, Volume 17, 2025-4-18

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