Forschungsgruppe der Universität von Delaware: Enthält die Bildung schädlicher Kristalle in Lithiummetallbatterien

Von Smartphones bis hin zu Elektroautos verwenden viele der heutigen Technologien Lithium-Ionen-Batterien. Dies bedeutet, dass die Verbraucher den Komfort des Ladegeräts beibehalten müssen. Der iPhoneX-akku hält nur 21 Stunden Gesprächszeit, während das Tesla S-Modell eine Reichweite von 335 Meilen hat. Dies bedeutet, dass Sie mit einer Ladung von Newark, Delaware nach Providence, Rhode Island City, aber nicht bis nach Boston gelangen können.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt - sogar John Goodenough, der Erfinder der Lithium-Ionen-Batterien - suchen nach Möglichkeiten, wiederaufladbare Batterien sicherer, leichter und leistungsfähiger zu machen.

Jetzt arbeitet ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Bingqing Wei, Professor für Maschinenbau an der Universität von Delaware, Direktor des Brennstoffzellen- und Batteriezentrums, daran, den Grundstein für den breiteren Einsatz von Lithiummetallbatterien zu legen. Dies wird mehr als die in der Unterhaltungselektronik üblicherweise verwendeten Lithium-Ionen-Batterien mehr Kapazität haben. Das Team entwickelte eine Methode zur Abschwächung der Dendritenbildung in Lithiummetallbatterien, die in einem in NanoLetters veröffentlichten Artikel beschrieben wurde.

Lithium-Metall-Batterie Versprechen (und Falle)

In einer Lithiumionenbatterie besteht die Anoden- oder Stromerzeugungsseite aus einem Material wie Graphit, an das Lithiumionen gebunden sind. Lithiumionen fließen zur Kathoden- oder Kollektorseite.

In einer Lithiummetallbatterie besteht die Anode aus Lithiummetall. Elektronen fließen von der Anode zur Kathode, um Elektrizität zu erzeugen. Wiederaufladbare Batterien aus Lithiummetall sind vielversprechend, da Lithium das elektrisch leitfähigste Metall ist und eine sehr hohe Kapazität aufweist.

"Theoretisch ist Lithiummetall eine der besten Optionen für Batterien, aber in der Praxis ist es schwierig, damit umzugehen", sagte Wei.

Lithium-Metall-Batterien waren bisher ineffizient, instabil und sogar brandgefährlich. Ihre Leistung wird durch Lithiumdendriten beeinträchtigt, die wie kleine Stalagmiten aus Lithiumablagerungen aussehen. Während der Verwendung der Batterie sammeln sich Lithiumionen an der Anode. Mit der Zeit werden Lithiumablagerungen ungleichmäßig, was zur Bildung dieser Dendriten führt, die Kurzschlüsse in der Batterie verursachen können.

Neues Verständnis

Forschungsgruppen auf der ganzen Welt haben verschiedene Techniken ausprobiert, um die Bildung und das Wachstum dieser Dendriten zu hemmen. Nach dem Studium der Literatur stellte Wei fest, dass fast alle angewandten Techniken unter einem Schutzschirm verstanden werden können: Das Einbringen einer Schicht aus porösem Material in das System verhindert, dass sich die Dendriten auf der Anode ansammeln.

Das Team verwendete mathematische Modelle, um herauszufinden, dass poröse Materialien die dendritische Initiierung und das Wachstum hemmen. Die tatsächlich gebildeten Dendriten sind 75% kürzer als die in Systemen ohne poröse Membran gebildeten Dendriten. Um diesen Befund weiter zu belegen, erstellte das Team eine Membran aus porösen Siliziumnitridfilamenten, weniger als eine von einer Million jeder Membran. Anschließend wurde der Film in eine Lithium-Metall-Batterie in der Batterie integriert und lief 3.000 Stunden. Es sind keine Dendriten aufgewachsen.

"Dieses grundlegende Verständnis ist möglicherweise nicht auf das von uns verwendete Siliziumnitrid beschränkt", sagte Wei. "Andere poröse Strukturen können dies ebenfalls tun."

Noch wichtiger ist, dass dieses Prinzip auch auf andere Batteriesysteme wie Batterien auf Zink- oder Kaliumbasis ausgedehnt werden kann, sagte er.

"Auf diesem Gebiet der Metallbatterien ist dies das neueste Verständnis", sagte er. "Dies ist ein Job, der große Auswirkungen haben kann."

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