Rolle des Glühens bei Verbesserung der Leistung von All-Solid-State-Lithiumbatterien
Festkörperbatterien sind nun einen Schritt näher daran, das Kraftwerk der Elektronik der nächsten Generation zu werden, da Forscher der Tokyo Tech, der AIST und der Yamagata University eine Strategie zur Wiederherstellung ihres geringen elektrischen Widerstands vorstellten. Außerdem erforschen sie den zugrundeliegenden Reduktionsmechanismus und ebnen damit den Weg für ein grundlegenderes Verständnis der Funktionsweise von Festkörperbatterien.
Feststoff-Batterien – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Festkörper-Lithiumbatterien sind der neue Trend in der Materialwissenschaft und -technik, da herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien die Standards für fortschrittliche Technologien wie Elektrofahrzeuge, die hohe Energiedichten, schnelles Laden und lange Zyklen erfordern, nicht mehr erfüllen können Leben. All-Solid-State-Batterien, die einen festen Elektrolyten anstelle eines flüssigen Elektrolyten verwenden, der in herkömmlichen Batterien verwendet wird, erfüllen nicht nur diese Standards, sondern sind auch vergleichsweise sicherer und bequemer, da sie in kurzer Zeit aufgeladen werden können.
Der Festelektrolyt bringt jedoch seine eigene Herausforderung mit sich. Es stellt sich heraus, dass die Grenzfläche zwischen positiver Elektrode und Festelektrolyt einen großen elektrischen Widerstand aufweist, dessen Ursprung nicht gut verstanden ist. Darüber hinaus erhöht sich der Widerstand, wenn die Elektrodenoberfläche der Luft ausgesetzt wird, was die Batteriekapazität und Leistung verschlechtert. Obwohl mehrere Versuche unternommen wurden, den Widerstand zu senken, gelang es keinem, ihn auf 10 ?/cm2 zu senken (Ohm-Quadratzentimeter), der gemeldete Grenzflächenwiderstandswert, wenn er nicht der Luft ausgesetzt ist.
Nun, in einer kürzlich veröffentlichten Studie in ACS Angewandte Materialien & Grenzflächen, ein Forschungsteam um Prof. Taro Hitosugi vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, und Shigeru Kobayashi, Doktorand am Tokyo Tech, könnte dieses Problem endlich gelöst haben. Durch die Etablierung einer Strategie zur Wiederherstellung des niedrigen Grenzflächenwiderstands sowie die Aufklärung des dieser Reduzierung zugrunde liegenden Mechanismus hat das Team wertvolle Einblicke in die Herstellung von Hochleistungs-Festkörperbatterien geliefert. Die Studie war das Ergebnis einer gemeinsamen Forschung von Tokyo Tech, dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und der Yamagata University.
Zu Beginn bereitete das Team Dünnschichtbatterien mit einer negativen Lithiumelektrode, einem LiCoO2 positive Elektrode und ein Li3Bestellung4 Festelektrolyt. Bevor die Herstellung einer Batterie abgeschlossen wurde, legte das Team das LiCoO . frei2 Oberfläche zu Luft, Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2), Wasserstoff (H2) und Wasserdampf (H2O) 30 Minuten lang.
Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass die Exposition gegenüber N2, Ö2, CO2, und H2, hat die Akkuleistung im Vergleich zu einem nicht exponierten Akku nicht beeinträchtigt. „Nur H2O-Dampf baut Li stark ab3Bestellung4 – LiCoO2 Grenzfläche und erhöht ihren Widerstand drastisch auf einen mehr als 10-fach höheren Wert als der der unbelichteten Grenzfläche“, sagt Prof. Hitosugi.
Als nächstes führte das Team einen Prozess namens „Annealing“ durch, bei dem die Probe in Batterieform, dh mit abgeschiedener negativer Elektrode, eine Stunde lang bei 150 °C wärmebehandelt wurde. Erstaunlicherweise reduzierte dies den Widerstand auf 10,3 ? cm2, vergleichbar mit der des unbelichteten Akkus. Durch numerische Simulationen und hochmoderne Messungen zeigte das Team dann, dass die Reduktion auf die spontane Entfernung von Protonen aus dem LiCoO . zurückzuführen ist2 Struktur beim Glühen. „Unsere Studie zeigt, dass Protonen im LiCoO2 Struktur spielen eine wichtige Rolle im Genesungsprozess. Wir hoffen, dass die Aufklärung dieser grenzflächenmikroskopischen Prozesse dazu beitragen wird, das Anwendungspotenzial von Festkörperbatterien zu erweitern“, schließt Prof. Hitosugi.
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