Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge, die eine größere Energiedichte und Reichweite bieten als moderne Lithium-Ionen-Batterien, bleiben unerreichbar, nicht zuletzt aufgrund der Herausforderungen, die sich aus der Zusammensetzung der Batteriekathode ergeben. Eine neue Kathodenzusammensetzung und die dazugehörige Herstellungstechnik scheinen diese Hürde zu überwinden.
In der Zeitschrift erschien ein Papier, das den Herstellungsprozess beschreibt Nanoforschung am 24. März.
Wiederaufladbare Festkörperbatterien (solche, die vollständig fest sind und keine flüssigen Bestandteile enthalten) werden seit langem als Energiespeicher der nächsten Generation gesucht, nicht zuletzt für Elektrofahrzeuge und andere Klimaschutzanwendungen. Sie wären leichter, energiedichter, bieten eine größere Reichweite und schnelleres Aufladen als die aktuelle Generation von Lithium-Ionen-Batterien.
Der in letzterem verwendete Flüssigelektrolyt ist das Medium, durch das Strom zwischen der positiven und der negativen Elektrode (Kathode bzw. Anode) fließt. Aber die Flüssigkeit macht den Akku schwer. Es ist auch brennbar und Brände sind keine Seltenheit. In einer Festkörperbatterie ist ein Festelektrolyt aus Keramik, Glas oder einem Polymer viel sicherer, da es während des Transports nicht ausläuft oder spritzt, und bietet eine verbesserte Leistungsdichte, Zyklierbarkeit und Haltbarkeit.
Der Schlüssel zum Funktionieren von Festkörperbatterien ist die Entwicklung einer guten Kathode, die eine hohe Betriebsspannung und eine große Flächenkapazität erreichen kann. Der letztgenannte Begriff beschreibt die Menge an Energieladung in einer Batterie pro Flächeneinheit für einen bestimmten Zeitraum. Die Einheit, die üblicherweise verwendet wird, um diese Größe zu beschreiben, ist die Milliamperestunde (mAh) – oder die Energiemenge, die es ermöglicht, dass ein Ampere Strom eine Stunde lang fließt – im Vergleich zu einer bestimmten Fläche (normalerweise gemessen in Quadratzentimetern, oder cm2). Im Wesentlichen bietet diese Messung, mAh/cm2, einen Hinweis darauf, wie lange eine Batterie hält, ohne dass sie aufgeladen werden muss, und wie viel Platz sie in einem Gerät einnimmt.
„Die meisten der bisher erforschten Herstellungstechnologien für Verbundkathoden führen zu Batterien, die nicht einmal die Leistung bestehender kommerzieller Batterien erreichen, geschweige denn sie übertreffen und etwa 3 mAh/cm2 erreichen“, sagte Jizhang Chen vom College of Materials Science and Engineering an der Nanjing Forestry University und Hauptautor des Artikels.
Diese Kathodentechnologien leiden auch unter der Notwendigkeit der Zugabe einer übermäßigen Menge an Bindemitteln und leitfähigen Mitteln, um sicherzustellen, dass alle aktiven Teilchen gleichmäßig verteilt sind. Dies verringert die Dichte der Kathode, erhöht die Kosten und erzeugt außerdem einen großen Widerstand an der Grenzfläche von Kathode und Elektrode.
Daher entwickelten die Forscher eine neuartige Kathodenzusammensetzung und ein dazugehöriges Herstellungsverfahren, das diese Herausforderungen überwindet und gleichzeitig eine hohe Flächenkapazität bietet. Die Zugabemenge an Binde- und Leitmitteln, in diesem Fall Lithiumhydroxid und Borsäure, wird deutlich reduziert (bis auf etwa vier Prozent des Gesamtgewichts). Diese werden als Zusatzstoffe im Sinterprozess während der Kathodenbildung verwendet.
Sintern ist ein Verfahren, bei dem ein Pulver durch Hitze oder Druck zu einer festen Masse verdichtet wird, ohne dass es bis zu dem Punkt schmilzt, an dem es flüssig wird. In diesem Fall bleibt jedoch zumindest für einige Komponenten eine flüssige Phase, während andere Pulver bleiben, um die Bindung zwischen Partikeln zu verstärken.
Das Lithiumhydroxid und die Borsäure mit ihren niedrigen Schmelzpunkten dringen als Flüssigkeiten in ein Pulver einer nickelreichen Lithiumverbindung (LiNi0,8Mn0,1Co0,1 oder „NMC811“) bei mäßig erhöhter Temperatur (ca. 350℃) ein. . Dies ermöglicht nicht nur einen innigen physischen Kontakt zwischen den Pulverpartikeln, sondern reduziert auch den Bedarf an einer hohen Menge an Zusatzstoffen und fördert einen Verdichtungsprozess.
Die resultierende Verbundkathode lieferte eine vielversprechende Leistung und erreichte eine Flächenkapazität von über 8 mAh/cm2 in einem weiten Spannungsbereich von bis zu 4,4 V. Dies soll zur Herstellung von Festkörperbatterien mit einer Energiedichte von 500 Wattstunden pro verwendet werden Kilogramm (Wh/kg), was die Energiedichte von 100-265 Wh/kg, die moderne Lithium-Ionen-Batterien bieten, leicht übertrifft.
Xiang Han et al., Flüssigphasensintern, das gemischte ionisch-elektronische Interphasen und eine freistehende Verbundkathodenarchitektur für hochenergetische Festkörperbatterien ermöglicht, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4242-5
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press