In einem Perforation nach sich ziehen Forscher des Indian Institute of Science (IISc) und ihre Mitwirkender entdeckt, wie Festkörperbatterien dieser nächsten Generation versagen, und eine neuartige Strategie entwickelt, um ebendiese Batterien länger halten und schneller laden zu lassen.
Festkörperbatterien sind fertig, die Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen, die in sozusagen jedem tragbaren elektronischen Gerät zu finden sind. Gewiss wohnhaft bei wiederholtem oder übermäßigem Gebrauch prosperieren sie dünne Filamente, sogenannte „Dendriten“, die die Batterien kurzschließen und sie unbrauchbar zeugen können.
In einer neuen, in Nature Materials veröffentlichten Studie nach sich ziehen die Forscher die Ursache dieser Dendritenbildung identifiziert – dies frühzeitige Hervortreten mikroskopisch dicker Teppich Hohlräume in einer dieser Elektroden. Sie zeigen ebenfalls, dass dies Hinzufügen einer dünnen Schicht bestimmter Metalle zur Elektrolytoberfläche die Gebildetsein von Dendriten erheblich verzögert, die Nutzungsdauer dieser Batterie verlängert und eine schnellere Aufladung ermöglicht.
Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus – wie Sie sie vielleicht in Ihrem Smartphone oder Laptop finden – enthalten verknüpfen flüssigen Elektrolyten, dieser zwischen einer positiv geladenen Elektrode (Minuspol) aus einem Übergangsmetalloxid (wie Ferrum und Kobalt) und einer negativ geladenen Elektrode ( Pluspol) aus Graphit. Wenn die Batterie geladen und entlassen wird (Leistungsfähigkeit verbraucht), pendeln Lithiumionen zwischen Pluspol und Minuspol in entgegengesetzten Richtungen. Solche Batterien nach sich ziehen ein großes Sicherheitsproblem – dieser flüssige Elektrolyt kann wohnhaft bei hohen Temperaturen Feuer fangen. Graphit speichert ebenfalls viel weniger Ladung denn metallisches Lithium.
Eine vielversprechende Andere sind von dort Festkörperbatterien, die die Fluid gegen verknüpfen keramischen Festelektrolyten reklamieren und Graphit gegen metallisches Lithium reklamieren. Keramikelektrolyte tun sogar noch besser wohnhaft bei höheren Temperaturen, welches im besonderen in tropischen Ländern wie Indien nützlich ist. Lithium ist außerdem leichter und speichert mehr Ladung denn Graphit, welches die Batteriekosten erheblich senken kann.
„Wenn man Lithium hinzufügt, bildet es leider ebendiese Filamente, die in den Festelektrolyten hineinwachsen und Pluspol und Minuspol kurzschließen“, erklärt Naga Phani Aetukuri, Assistenzprofessorin in dieser Bereich für jedes Festkörper- und Strukturchemie (SSCU) und korrespondierender Verfasser von die Studium.
Um dieses Phänomen zu untersuchen, induzierte dieser Promovend von Aetukuri, Vikalp Raj, die Gebildetsein von Dendriten künstlich, während er wiederholt Hunderte von Batteriezellen auflud, dünne Abschnitte dieser Lithium-Elektrolyt-Grenzfläche herausschnitt und sie unter einem Rasterelektronenmikroskop betrachtete. Qua sie sich ebendiese Abschnitte genau ansahen, erkannte dies Team, dass stark vor dieser Gebildetsein dieser Dendriten irgendwas passierte – während dieser Entladung entwickelten sich mikroskopisch kleine Hohlräume in dieser Lithiumanode. Dasjenige Team berechnete ebenfalls, dass die an den Rändern dieser mikroskopisch kleinen Hohlräume konzentrierten Ströme etwa 10.000-mal größer waren denn die durchschnittlichen Ströme durch die Batteriezelle, welches wahrscheinlich den Festelektrolyten belastet und die Dendritenbildung beschleunigt.
„Dasjenige bedeutet, dass unsrige Niederlage, sehr gute Batterien herzustellen, jetzt sehr mühelos ist“, sagt Aetukuri. „Wir zu tun sein nur sicherstellen, dass sich keine Hohlräume zusammentragen.“
Um dies zu gewährleisten, brachten die Forscher zwischen Lithium-Pluspol und Festelektrolyt eine hauchdünne Schicht aus Refraktärmetall – einem hitze- und verschleißfesten Metall – ein. „Die Refraktärmetallschicht schirmt den Festelektrolyten vor dieser Spannung ab und verteilt den Strom gewissermaßen um“, sagt Aetukuri. Er und sein Team arbeiteten mit Forschern dieser Carnegie Mellon University in den USA zusammen, die Computeranalysen durchführten, die klar zeigten, dass die hochschmelzende Metallschicht tatsächlich dies Zunahme mikroskopisch dicker Teppich Lithium-Hohlräume verzögerte.
Dasjenige Aufbringen eines extremen Drucks, dieser Lithium gegen den Festelektrolyten pressen kann, kann Hohlräume verhindern und die Gebildetsein von Dendriten verzögern, doch dies ist für jedes alltägliche Anwendungen notfalls nicht praktikabel. Andere Forscher nach sich ziehen ebenfalls die Idee vorgeschlagen, Metalle wie Aluminium zu verwenden, die sich an dieser Grenzfläche gut mit Lithium legieren oder vermixen lassen. Gewiss im Laufe dieser Zeit vermischt sich ebendiese Metallschicht mit Lithium, wird ununterscheidbar und verhindert nicht die Gebildetsein von Dendriten. „Welches wir sagen, ist andersartig“, erklärt Raj. „Wenn Sie ein Metall wie Wolfram oder Molybdän verwenden, dies sich nicht mit Lithium legiert, ist die Leistung, die Sie aus dieser Zelle hervorholen, noch besser.“
Die Forscher sagen, dass die Ergebnisse verknüpfen entscheidenden Schrittgeschwindigkeit vorwärts wohnhaft bei dieser Realisierung praktischer und kommerzieller Festkörperbatterien darstellen. Ihre Strategie lässt sich ebenfalls hinauf andere Batterietypen verlängern, die Metalle wie Sodium, Zn und Magnesium enthalten.
Forschungsbericht: Direkte Korrelation zwischen Hohlraumbildung und Lithiumdendritenwachstum in Festkörperelektrolyten mit Zwischenschichten
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Indisches Wissenschaftsinstitut (IISc)
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