US-Forscher knacken Code für Festkörperbatterien
Von Elektrofahrzeugen bis hin zu kabellosen Ohrhörern: Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien versorgen uns täglich mit Energie, da sie schnell laden und viel Energie speichern. Allerdings basieren sie auf einer Lösung namens flüssigem Elektrolyt, die bei Beschädigung oder Überhitzung Feuer fangen kann.
Forscher der University of Missouri haben möglicherweise eine Lösung, wie sich Festkörperbatterien mithilfe von Festelektrolyten anstelle von Flüssigkeiten oder Gelen herstellen lassen, die sicherer und energieeffizienter sind.
„Wenn der Festelektrolyt die Kathode berührt, reagiert er und bildet eine etwa 100 Nanometer dicke Zwischenphasenschicht – 1.000-mal dünner als die Breite eines menschlichen Haares“, sagt Assistenzprofessor Matthias Young. „Diese Schicht verhindert, dass sich Lithiumionen und Elektronen frei bewegen, was den Widerstand erhöht und die Batterieleistung beeinträchtigt.“
Dieses Problem mit Festkörperbatterien zu verstehen – und es zu lösen – bereitet Wissenschaftlern seit mehr als einem Jahrzehnt Kopfzerbrechen.
Youngs Team baute genau hier auf. Mithilfe der vierdimensionalen Rastertransmissionselektronenmikroskopie (4D STEM) untersuchten die Forscher die atomare Struktur der Batterie, ohne sie auseinanderzunehmen – ein revolutionärer Durchbruch auf diesem Gebiet. Dieses neuartige Verfahren ermöglichte ihnen ein grundlegendes Verständnis der chemischen Reaktionen im Inneren von Batterien und stellte schließlich fest, dass die Zwischenphasenschicht der Übeltäter war.
Eine mögliche Lösung
Youngs Labor ist auf Dünnschichten spezialisiert, die durch ein Dampfphasenabscheidungsverfahren, die sogenannte oxidative Molekularschichtabscheidung (oMLD), erzeugt werden. Nun soll getestet werden, ob die Dünnschichtmaterialien des Labors Schutzschichten bilden können, die eine Reaktion zwischen Festelektrolyt und Kathodenmaterial verhindern.
„Die Beschichtungen müssen dünn genug sein, um Reaktionen zu verhindern, aber nicht so dick, dass sie den Lithium-Ionen-Fluss blockieren“, sagt Young. „Unser Ziel ist es, die Hochleistungseigenschaften der Festelektrolyte und Kathodenmaterialien zu erhalten und diese Materialien gemeinsam zu verwenden, ohne ihre Leistung zugunsten der Kompatibilität zu beeinträchtigen.“
Dieser sorgfältig ausgearbeitete Ansatz auf Nanoebene wird dazu beitragen, dass diese Materialien nahtlos zusammenarbeiten – und Festkörperbatterien der Realität einen Schritt näher bringen.
„ Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM “ wurde in Advanced Energy Materials veröffentlicht.
Co-Autoren sind Nikhila C. Paranamana, Andreas Werbrouck, Amit K. Datta und Xiaoqing He von Mizzou.
