© Denis Paiste  Materialforschungslabor / MIT Associate Professor Jennifer Rupp
© Denis Paiste Materialforschungslabor / MIT Associate Professor Jennifer Rupp

Wohin Batterieentwicklung geht

MIT-Forscher demonstrieren neue Methode zur Herstellung kleinerer, sicherer und schnelleret lithiumreichen Keramikelektrolyten

Forscher am MIT haben eine neue gepulste Laserabscheidungstechnik entwickelt, mit der dünnere Lithiumelektrolyte mit weniger Wärme hergestellt werden können. Dies verspricht eine schnellere Aufladung und potenziell hochvoltige Lithium-Ionen-Festkörperbatterien.

Der Schlüssel für die neue Technik zur Verarbeitung des Festkörperbatterieelektrolyts liegt darin, dass Schichten der aktiven Elektrolyt-Lithium-Granat-Komponente mit Schichten aus Lithiumnitrid abgewechselt werden. Diese Schichten werden wie ein Waffelkeks unter Verwendung eines gepulsten Laserabscheidungsprozesses bei etwa 300 Grad Celsius aufgebaut. Dann werden sie auf 660 ° C erhitzt und langsam abgekühlt

Dabei verbrennen fast alle Stickstoffatome in der Atmosphäre und die Lithiumatome der ursprünglichen Nitridschichten verschmelzen zu einem einzigen lithiumreichen, keramischen Dünnfilm. Der zusätzliche Lithiumgehalt im Granatfilm ermöglicht es dem Material, die kubische Struktur beizubehalten, die erforderlich ist, damit sich positiv geladene Lithiumionen (Kationen) schnell durch den Elektrolyten bewegen können. Die Ergebnisse wurden vor kurzem veröffentlicht.

"Das wirklich coole neue dabei ist, dass wir einen Weg gefunden haben, Lithium bei der Abscheidung in den Film zu bringen, indem wir Lithiumnitrid als interne Lithiierungsquelle verwendeten", sagt MIT Associate Professor Jennifer LM Rupp, die leitende Forscherin des Pojekts. Rupp hat dabei mit den MIT-Abteilungen Materialwissenschaften und -technik sowie Elektrotechnik und Informatik zusammengearbeitet.

„Der zweite Trick ist, dass wir Lithiumnitrid verwenden, das in der Bandlücke zum Laser liegt, den wir für die Abscheidung verwenden, wodurch wir einen sehr schnellen Materialtransfer haben, der ein weiterer Schlüsselfaktor ist, um kein Lithium zu verlieren“, erklärt Rupp.

Sicherere Technologie

Lithiumbatterien mit üblicherweise verwendeten Elektrolyten, die durch Kombination einer Flüssigkeit und eines Polymers hergestellt werden, können ein Brandrisiko darstellen, wenn die Flüssigkeit Luft ausgesetzt ist. Festkörperbatterien sind wünschenswert, da bei diesen die in Lithiumbatterien üblicherweise verwendetes flüssiges Polymerelektrolyte durch ein festes Material ersetzt wird, das sicherer ist. "Die Elektrolytkomponenten können um den Faktor 100 verkleinert weden, indem wir vom Polymer zum Keramiksystem wechseln“, erklärt Rupp.

Obwohl andere Verfahren zur Herstellung von lithiumreichen Keramikmaterialien auf größeren Pellets oder Bändern, die unter Verwendung eines als Sintern bezeichneten Prozesses erhitzt werden, eine dichte Mikrostruktur ergeben können, die eine hohe Lithiumkonzentration beibehält, erfordern sie eine höhere Wärme und führen zu voluminöserem Material. Die von Rupp und ihren Schülern entwickelte neue Technik erzeugt einen dünnen Film mit einer Dicke von etwa 330 Nanometern (weniger als 1,5 Hunderttausendstel Zoll). „Eine Dünnschichtstruktur anstelle einer dicken Keramik ist im Allgemeinen für Batterieelektrolyte attraktiv, da dadurch mehr Volumen in den Elektroden vorhanden ist, in denen die aktive Speicherkapazität vorhanden sein soll. Der heilige Gral ist also dünn und schnell “, sagt sie.

Verglichen mit der klassischen Kaffeetasse aus Keramik, die unter starker Vergrößerung Metalloxidpartikel mit einer Korngröße von zehn bis hundert Mikrometern aufweist, weisen die nach Rupps Methoden hergestellten Lithium (granat) oxid-Dünnfilme Kornstrukturen im Nanometerbereich von eintausendstel bis eintausendstel auf ein Zehntausendstel der Größe auf. Das heißt, Rupp kann dünnere Elektrolyte für Batterien herstellen. „In einer Festkörperbatterie muss kein großer Elektrolyt vorhanden sein“, sagt sie.

Schnellere Ionenleitung

Stattdessen wird ein Elektrolyt mit schnellerer Leitfähigkeit benötigt. Die Maßeinheit für die Lithiumionenleitfähigkeit wird in Siemens angegeben. Die neue Mehrschicht-Abscheidungstechnik erzeugt ein Lithium-Granat-Material (LLZO), das für eine Elektrolytverbindung auf Lithiumbasis mit etwa 2,9 x 10 -5 Siemens (0,000029 Siemens) pro Zentimeter die bisher schnellste Ionenleitfähigkeit aufweist . Diese Ionenleitfähigkeit ist mit Dünnschichtelektrolyten für Festkörper-Lithiumbatterien auf der Basis von LIPON (Lithiumphosphoroxynitrid-Elektrolyten) konkurrierend und fügt der Landschaft ein neues Schichtelektrolytmaterial hinzu.

„Wenn man den Lithiumelektrolyten als einen sehr schnellen Festkörperleiter hat, kann man laut von allem träumen, was man mit schneller Lithiumbewegung tun kann“, sagt Rupp.

Die negativ geladene Elektrode einer Batterie speichert Strom. Die Arbeit weist den Weg zu Hochvoltbatterien auf der Basis von Lithium-Granat-Elektrolyten, da die niedrigere Verarbeitungstemperatur die Verwendung von Materialien für Hochvoltkathoden ermöglicht, die bei höheren Verarbeitungstemperaturen instabil wären, und die kleinere Elektrolytgröße eine physikalisch größere Kathode ermöglicht Volumen in der gleichen Batteriegröße.

Die Koautoren Michal Struzik und Reto Pfenninger führten Verarbeitungs- und Raman-Spektroskopiemessungen am Lithium-Granat-Material durch. Diese Messungen waren der Schlüssel zum Nachweis der schnellen Leitfähigkeit des Materials bei Raumtemperatur sowie zum Verständnis der Entwicklung seiner verschiedenen Strukturphasen.

„Eine der größten Herausforderungen beim Verständnis der Entwicklung der Kristallstruktur in LLZO war die Entwicklung geeigneter Methoden. Wir haben eine Reihe von Experimenten vorgeschlagen, um die Entwicklung der Kristallstruktur in der [LLZO] -Dünnschicht von einer ungeordneten oder 'amorphen' Phase zu einer vollständig kristallinen, hochleitenden Phase unter Verwendung der Raman-Spektroskopie beim thermischen Tempern unter kontrollierten atmosphärischen Bedingungen zu beobachten “, sagt Co-Autor Struzik, der Postdoc an der ETH Zürich war, am MIT bei Rupp arbeitete und jetzt Professor an der Technischen Universität Warschau in Polen ist . „Auf diese Weise konnten wir beobachten und verstehen, wie sich die Kristallphasen entwickeln und in der Folge die Ionenleitfähigkeit verbessern“, erklärt er.

Die Arbeit zeigt, dass sich Lithiumgranat während des Glühprozesses von der amorphen Phase in der anfänglichen Mehrfachschicht, die bei 300° C verarbeitet wurde, über zunehmend höhere Temperaturen zu einer niedrig leitenden tetragonalen Phase in einem Temperaturbereich von etwa 585° C bis 630° C und zu der gewünschten entwickelt hochleitende kubische Phase nach dem Tempern bei 660° C .Bemerkenswerterweise ist diese Temperatur von 660 ° C zum Erreichen der hochleitenden Phase im Mehrschichtverfahren fast 400° C niedriger als die 1.050° C, die erforderlich sind, um sie mit früheren Sinterverfahren unter Verwendung von Pellets oder Bändern zu erreichen.

„Eine der größten Herausforderungen bei der Realisierung von Festkörperbatterien besteht in der Fähigkeit, sie herzustellen. Es ist schwierig, die Herstellungskosten zu senken, um die kommerziellen Ziele zu erreichen, die mit den heutigen Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von Flüssigelektrolyten konkurrenzfähig sind, und einer der Hauptgründe ist die Notwendigkeit, für die Verarbeitung der keramischen Festelektrolyten hohe Temperaturen zu verwenden, so Professor Peter Bruce, der Wolfson-Lehrstuhl für Materialwissenschaften an der Universität Oxford, der an dieser Forschung nicht beteiligt war.

"In diesem wichtigen Artikel wird ein neuartiger und einfallsreicher Ansatz vorgestellt, um dieses Problem zu lösen, indem die Verarbeitungstemperatur von Festkörperbatterien auf Granatbasis um mehr als die Hälfte gesenkt wird - also um Hunderte von Grad", fügt Bruce hinzu. „Normalerweise sind hohe Temperaturen erforderlich, um eine ausreichende Festkörperdiffusion zu erreichen, um die Atombestandteile des keramischen Elektrolyten zu vermischen. Durch die Verschachtelung von Lithiumschichten in einer eleganten Nanostruktur haben die Autoren diese Barriere überwunden. “

Nach der Demonstration der neuartigen Verarbeitung und der hohen Leitfähigkeit der Lithium-Granat-Elektrode besteht der nächste Schritt darin, das Material in einer tatsächlichen Batterie zu testen, um zu untersuchen, wie das Material mit einer Batteriekathode reagiert und wie stabil es ist. „Es bleibt noch viel zu tun“, prognostiziert Rupp.


Die Arbeit wurde vom MIT Lincoln Laboratory, der Thomas Lord Foundation, dem Competence Center Energy and Mobility und Swiss Electrics finanziert.


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