Festkörper-Lithium-Metall-Batterien (LMBs) sind vielversprechende Energiespeicherlösungen, die im Gegensatz zu den flüssigen, die in herkömmlichen Lithium-Batterien zu finden sind, eine Lithium-Metall-Anode und Festkörperelektrolyte (SSEs) enthalten. Während Festkörper-LMBs im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien (LiBs) deutlich höhere Energiedichten aufweisen könnten, neigen die darin enthaltenen Festelektrolyte zum Dendritenwachstum, was ihre Stabilität und Sicherheit verringert.
Forscher der Western University in Kanada, der University of Maryland in den USA und anderen Instituten haben kürzlich einen neuen, freistellenreichen und superionenleitenden β-Li3N-Festkörperelektrolyten (SSE) entwickelt. Der Elektrolyt, über den kürzlich in einem Artikel berichtet wurde veröffentlicht In Natur-Nanotechnologiekönnte einen stabilen Zyklus von All-Solid-State-LMBs aufrechterhalten und möglicherweise deren Kommerzialisierung erleichtern.
„Das Hauptziel unserer Arbeit war die Entwicklung von Lithium-stabilen, superionisch leitenden SSEs für Festkörper-LMBs, insbesondere im Hinblick auf deren Anwendung in Elektrofahrzeugen (EVs)“, sagte Weihan Li, Erstautor des Artikels, gegenüber Phys.org .
„Der Markt für Elektrofahrzeuge verzeichnet ein rasantes Wachstum, aber eine wesentliche Einschränkung bleibt die kurze Reichweite von 300–400 Meilen pro Ladung, vor allem aufgrund der begrenzten Energiedichte (~300 Wh/kg) herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien. Vollständig stabil „State Lithium-Metall-Batterien stellen eine vielversprechende Lösung für diese Herausforderung dar, da sie das Potenzial bieten, Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg zu erreichen und so die Reichweite auf über 600 Meilen pro Ladung zu erhöhen.“
Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von All-Solid-State-LMBs war bisher der Mangel an sicheren, zuverlässigen und leistungsstarken SSEs. Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Li und seinen Kollegen bestand darin, einen neuen Elektrolyten zu entwickeln, der eine hohe Stabilität gegenüber Lithiummetall mit einer hohen Ionenleitfähigkeit kombiniert.
„Aufbauend auf unserem bisherigen Verständnis von SSEs haben wir Nitride als eine Klasse von Materialien identifiziert, die gegenüber Lithiummetall stabil sind“, sagte Li. „Herkömmliche Nitride weisen jedoch eine geringe Ionenleitfähigkeit auf. Mithilfe unseres Wissens über Lithiumleitungsmechanismen haben wir ein leerstellenreiches β-Li3N-SSE entwickelt.“
In ersten Tests zeigte das von diesem Forscherteam entwickelte neue, leerstellenreiche β-Li3N-SSE eine 100-fache Verbesserung der Ionenleitfähigkeit und eine größere Stabilität im Vergleich zu kommerziellem Li3N. Dieses vielversprechende Material könnte somit dazu beitragen, die Einschränkungen zu überwinden, die typischerweise mit der Entwicklung leistungsstarker All-Solid-State-LMBs verbunden sind.
„Unser Design des leerstellenreichen β-Li3N basierte auf einem Verständnis der Lithium-Ionen-Leitungsmechanismen“, sagte Li. „Defekte in der Kristallstruktur, wie zum Beispiel Leerstellen, können die Energiebarrieren für die Lithium-Ionen-Migration verringern und die Population mobiler Lithium-Ionen erhöhen.“
Die Forscher synthetisierten das leerstellenreiche β-Li3N-SSE mithilfe eines Hochenergie-Kugelmahlprozesses. Mit diesem Verfahren wurde eine kontrollierte Anzahl von Leerstellen in die Struktur des Materials eingebracht, was letztendlich seine Eigenschaften verbesserte.
„Die Ionenleitfähigkeit von leerstellenreichem β-Li3N ist 100-mal größer als die von kommerziellem Li3N“, erklärte Li. „Es zeigt eine ausgezeichnete chemische Stabilität gegenüber Lithiummetall und ermöglicht die Herstellung langzyklischer All-Solid-State-LMBs. Das Material zeigt auch eine hohe Stabilität in trockener Luft, wodurch es für die Produktion im industriellen Maßstab in Trockenraumumgebungen geeignet ist.“
Als sie ihr neu entwickeltes SSE in ein LMB integrierten, erreichten die Forscher eine beispiellose Ionenleitfähigkeit für ein SSE und erreichten 2,14 × 10−3 S cm−1 bei 25 °C. Auf dem Elektrolyten basierende symmetrische Batteriezellen erreichten hohe kritische Stromdichten bis zu 45 mA cm−2 und hohe Kapazitäten bis zu 7,5 mAh cm−2 sowie ultrastabile Lithium-Stripping- und Galvanisierungsprozesse über 2.000 Zyklen.
„Unsere Studie erreichte eine rekordverdächtige Ionenleitfähigkeit und außergewöhnliche Stabilität mit Lithiummetall für ein SSE“, sagte Li. „Diese Erkenntnisse sind von Bedeutung, da sie zwei der kritischsten Herausforderungen bei der Entwicklung von All-Solid-State-LMBs angehen.“
Das von diesem Forscherteam synthetisierte neue Material könnte neue aufregende Möglichkeiten für die Herstellung von Festkörper-LMBs eröffnen, möglicherweise ihre Energiedichte erhöhen und ihre Aufladung beschleunigen. Diese Batterien könnten schließlich in Elektrofahrzeuge und andere große Elektronikgeräte integriert werden, um deren Batterielebensdauer zu verlängern und die Ladezeit zu verkürzen.
„In Zukunft wird sich meine Forschung auf zwei Hauptrichtungen konzentrieren“, fügte Li hinzu. „Einerseits möchte ich die verbleibenden Grenzflächenherausforderungen in All-Solid-State-LMBs angehen, um die Lithium-Ionen-Leitung weiter zu verbessern und die Batterielebensdauer zu verlängern. Dazu werden eingehende Untersuchungen der Grenzflächenreaktionskinetik und neuartige Materialdesigns erforderlich sein.
„Im technischen Bereich plane ich, praktische Herausforderungen anzugehen, indem ich Prototypenzellen und Pouch-Zellen im kommerziellen Maßstab auf Basis von leerstellenreichem β-Li3N entwickle. Dazu gehört die Optimierung des Materials für die Großserienproduktion und seine Integration in funktionsfähige Batteriesysteme.“ für reale Anwendungen.“
Weitere Informationen:
Weihan Li et al., Superionisch leitender, leerstellenreicher β-Li3N-Elektrolyt für stabile Zyklen von Festkörper-Lithiummetallbatterien, Natur-Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01813-z
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