Ingenieure der UC San Diego züchten gleichmäßige Lithiumkristalle
In einem Nature Energy-Artikel berichten kalifornische Ingenieure am 09.02,2023 über Fortschritte bei der Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien, die sich schnell aufladen lassen – innerhalb von einer Stunde schreibt Daniel Kane auf der Internetseite der Universität von Kalifornien in San Diego. Das ist Lithiummetallkristallen zu verdanken, die schnell und gleichmäßig auf einer überraschenden Oberfläche gezüchtet werden können. Der Trick besteht darin, eine Oberfläche für die Kristallzüchtung zu verwenden, die Lithium offiziell nicht „mag“. Aus diesen Impfkristallen wachsen dann dichte Schichten aus einheitlichem Lithiummetall.
Noch aktuelle Batterien – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Gleichmäßige Schichten aus Lithiummetall sind für Batterieforscher von großem Interesse, da sie keine die Batterieleistung verschlechternden Spitzen, so genannte Dendriten, aufweisen. Die Bildung dieser Dendriten in Batterieanoden ist seit langem ein Hindernis für die schnelle Aufladung von Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte.
Um Lithium-Metall-Kristalle zu züchten, ersetzten die Forscher die allgegenwärtigen Kupferoberflächen auf der negativen Seite (der Anode) von Lithium-Metall-Batterien durch eine lithiophobe Nanokompositoberfläche aus Lithiumfluorid (LiF) und Eisen (Fe). Mit dieser lithiophoben Oberfläche für die Lithiumabscheidung bildeten sich Lithiumkristallkeime, aus denen dichte Lithiumschichten wuchsen – selbst bei hohen Ladegeschwindigkeiten. Das Ergebnis waren Lithium-Metall-Batterien mit langer Lebensdauer, die sich schnell aufladen lassen.
„Die spezielle Nanokomposit-Oberfläche ist die Entdeckung“, sagt Ping Liu, Professor für Nanotechnik an der UC San Diego und Hauptautor der neuen Studie. „Wir haben die traditionelle Vorstellung davon, welche Art von Oberfläche für das Wachstum von Lithiumkristallen erforderlich ist, in Frage gestellt. Die vorherrschende Meinung ist, dass Lithium besser auf Oberflächen wächst, die es mag, die „lithiophil“ sind. In dieser Arbeit zeigen wir, dass dies nicht immer der Fall ist. Das von uns verwendete Substrat ist nicht lithiumfreundlich. Es bietet jedoch reichlich Keimbildungsstellen und eine schnelle Bewegung des Lithiums auf der Oberfläche. Diese beiden Faktoren führen zum Wachstum dieser schönen Kristalle. Dies ist ein schönes Beispiel für eine wissenschaftliche Erkenntnis, mit der ein technisches Problem gelöst wird.
Der Fortschritt unter der Leitung von Nanoingenieuren der UC San Diego könnte ein bedeutendes Hindernis aus dem Weg räumen, das den weit verbreiteten Einsatz von energiereichen Lithium-Metall-Batterien für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronik behindert. Während Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer hohen Ladedichte ein großes Potenzial für Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronikgeräte haben, müssen die heutigen Lithium-Metall-Batterien extrem langsam geladen werden, um die Batterieleistung zu erhalten und Sicherheitsprobleme zu vermeiden. Das langsame Laden ist notwendig, um die Bildung von Lithium-Dendriten zu minimieren, die die Batterieleistung beeinträchtigen, wenn sich Lithium-Ionen mit Elektronen verbinden und Lithiumkristalle auf der Anodenseite der Batterie bilden. Die Lithiumkristalle bilden sich beim Laden der Batterie und lösen sich beim Entladen der Batterie wieder auf.
->Quellen:
- today.ucsd.edu/progress-toward-fast-charging-lithium-metal-batteries
- Originalpublikation: Zhaohui Wu, Zeyu Hui, Haodong Liu, Shen Wang, Sicen Yu, Xing Xing, John Holoubek, Qiushi Miao, und Ping Liu an der UC San Diego; Chunyang Wang und Huolin L. Xin an der UC Irvine: „Growing single-crystalline seeds on lithiophobic substrates to enable fast-charging lithium-metal batteries“, veröffentlicht in Nature Energy am 09. Februar 2023.