Die wahre Form von Lithium wurde erstmals enthüllt

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien versorgen unter anderem Smartphones, Elektrofahrzeuge und Speicher für Solar- und Windenergie.

Sie stammen von einer anderen Technologie ab, der Lithium-Metall-Batterie, die noch nicht so weit entwickelt oder eingesetzt wurde. Dafür gibt es einen Grund: Während Lithium-Metall-Batterien das Potenzial haben, etwa doppelt so viel Energie zu speichern wie Lithium-Ionen-Batterien, besteht bei ihnen auch ein weitaus höheres Risiko, Feuer zu fangen oder sogar zu explodieren.

Nun enthüllt eine Studie von Mitgliedern des California NanoSystems Institute an der UCLA eine grundlegende Entdeckung, die zu sichereren Lithium-Metall-Batterien führen könnte, die die heutigen Lithium-Ionen-Batterien übertreffen. Die Forschung wurde heute in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Metallisches Lithium reagiert so leicht mit Chemikalien, dass unter normalen Bedingungen fast sofort Korrosion entsteht, wenn das Metall auf eine Oberfläche wie eine Elektrode aufgetragen wird. Aber die Forscher der UCLA entwickelten eine Technik, die diese Korrosion verhindert, und zeigten, dass sich Lithiumatome in ihrer Abwesenheit zu einer überraschenden Form zusammenfügen – dem rhombischen Dodekaeder, einer zwölfseitigen Figur, ähnlich den Würfeln, die in Rollenspielen wie Dungeons and Dragons verwendet werden .

„Es gibt Tausende von Veröffentlichungen über Lithiummetall, und die meisten Beschreibungen der Struktur sind qualitativer Art, wie etwa ‚klumpig‘ oder ‚säulenartig‘“, sagte Yuzhang Li, korrespondierender Autor der Studie und Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Universität der UCLA Samueli School of Engineering und Mitglied des CNSI.

„Es war für uns überraschend, dass wir, als wir Oberflächenkorrosion verhinderten, anstelle dieser schlecht definierten Formen ein einzelnes Polyeder sahen, das theoretischen Vorhersagen auf der Grundlage der Kristallstruktur des Metalls entspricht. Letztendlich ermöglicht uns diese Studie, unser Verständnis zu überarbeiten.“ Lithium-Metall-Batterien.

In winzigen Maßstäben speichert eine Lithium-Ionen-Batterie positiv geladene Lithiumatome in einer käfigartigen Struktur aus Kohlenstoff, die eine Elektrode umhüllt. Im Gegensatz dazu beschichtet eine Lithium-Metall-Batterie die Elektrode stattdessen mit metallischem Lithium. Dadurch ist im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien zehnmal mehr Lithium auf dem gleichen Raum untergebracht, was sowohl die Leistung als auch die Gefahr erhöht.

Das Verfahren zum Aufbringen der Lithiumbeschichtung basiert auf einer über 200 Jahre alten Technik, bei der Elektrizität und Salzlösungen, sogenannte Elektrolyte, zum Einsatz kommen. Oftmals bildet das Lithium mikroskopisch kleine, verzweigte Filamente mit hervorstehenden Stacheln. Wenn sich in einer Batterie zwei dieser Spitzen kreuzen, kann es zu einem Kurzschluss kommen, der zu einer Explosion führen kann.

Die Entdeckung der wahren Form von Lithium – also das Fehlen von Korrosion – legt nahe, dass die Explosionsgefahr für Lithium-Metall-Batterien verringert werden kann, da sich die Atome in einer geordneten Form ansammeln und nicht in einer, die sich kreuz und quer überkreuzen kann. Die Entdeckung könnte auch erhebliche Auswirkungen auf die Hochleistungsenergietechnologie haben.

„Wissenschaftler und Ingenieure haben über zwei Jahrzehnte lang an der Synthese von Metallen wie Gold, Platin und Silber in Formen wie Nanowürfeln, Nanokugeln und Nanostäben geforscht“, sagte Li. „Da wir nun die Form von Lithium kennen, stellt sich die Frage: Können wir es so anpassen, dass es Würfel bildet, die dicht gepackt werden können, um sowohl die Sicherheit als auch die Leistung von Batterien zu erhöhen?“

Bisher herrschte die Meinung vor, dass die Wahl der Elektrolyte in der Lösung die Form bestimmt, die Lithium auf einer Oberfläche bildet – ob die Struktur klumpen- oder säulenartig ist. Die UCLA-Forscher hatten eine andere Idee.

„Wir wollten sehen, ob wir Lithium so schnell abscheiden können, dass wir schneller als die Reaktion sind, die den Korrosionsfilm verursacht“, sagte UCLA-Doktorand Xintong Yuan, der Erstautor der Studie. „Auf diese Weise könnten wir möglicherweise sehen, wie das Lithium ohne diesen Film wachsen möchte.“

Die Forscher entwickelten eine neue Technik, um Lithium schneller abzuscheiden, als es zu Korrosion kommt. Sie ließen Strom durch eine viel kleinere Elektrode fließen, um den Strom schneller abzuleiten – ähnlich wie das teilweise Verstopfen der Düse eines Gartenschlauchs dazu führt, dass Wasser stärker herausspritzt.

Es war jedoch ein Gleichgewicht erforderlich, da eine zu starke Beschleunigung des Prozesses zu denselben stacheligen Strukturen führen würde, die Kurzschlüsse verursachen. Das Team ging dieses Problem an, indem es die Form seiner winzigen Elektrode anpasste.

Sie trugen Lithium mit vier verschiedenen Elektrolyten auf Oberflächen auf und verglichen die Ergebnisse einer Standardtechnik mit denen ihrer neuen Methode. Durch Korrosion bildete das Lithium vier verschiedene mikroskopische Formen. Mit ihrem korrosionsfreien Verfahren stellten sie jedoch fest, dass das Lithium in allen vier Fällen winzige Dodekaeder bildete – nicht größer als zwei Millionstel Meter oder etwa die durchschnittliche Länge eines einzelnen Bakteriums.

Die Forscher konnten die Form von Lithium dank einer bildgebenden Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie oder Kryo-EM erkennen, bei der Elektronen durch gefrorene Proben gestrahlt werden, um Details bis auf die atomare Ebene anzuzeigen und gleichzeitig Schäden an den Proben zu verhindern.

Kryo-EM ist in den Biowissenschaften zur Bestimmung der Strukturen von Proteinen und Viren allgegenwärtig geworden. Der Einsatz in der Materialwissenschaft nimmt zu, und die UCLA-Forscher hatten zwei entscheidende Vorteile.

Als Li ein Doktorand war, demonstrierte er zunächst, dass Kryo-EM zur Analyse von Lithium verwendet werden kann, das bei Raumtemperatur in Stücke zerfällt, wenn es einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird. Zweitens führte das Team Experimente im Electron Imaging Center for Nanomachines des CNSI durch, das mehrere Kryo-EM-Instrumente beherbergt, die speziell an die in der Materialforschung verwendeten Probentypen angepasst wurden.

„Die gegenseitige Befruchtung zwischen Biologie und Chemie bringt neue Ideen hervor“, sagte Matthew Mecklenburg, Mitautor der Studie und Geschäftsführer des Bildgebungszentrums. „Wir nutzen unsere umfangreiche Erfahrung bei der Analyse kleiner Moleküle, Proteine ​​und Viren mithilfe von Kryo-EM-Methoden auf neue Weise, um Batteriematerialien zu untersuchen, die gegenüber dem Elektronenstrahl empfindlich sind.“

Li sagte, dass die neue Technik zur Ablagerung von Lithium noch weitere Optimierungsarbeiten erfordert.