Einsatzmöglichkeiten von Energiespeicherung, Chemietechnik und biomedizinische Anwendungen
Forscher aus Lancaster haben Pionierarbeit geleistet, indem sie die innere 3D-Struktur von wiederaufladbaren Batterien entschlüsselt haben. Die in Nature Communications*) open access veröffentlichte Forschungsarbeit wurde von Professor Oleg Kolosov vom Fachbereich Physik der Universität Lancaster in Zusammenarbeit mit dem University College London und dem NEXGENNA Faraday Institution Consortium geleitet.
Wiederaufladbare Batterien – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Das Team setzte eine neuartige 3D-Nano-Rheologie-Mikroskopie (3DNRM) ein, um die 3D-Nanostruktur im Inneren von wiederaufladbaren Batterien sichtbar zu machen, von der elektrischen Doppelschicht auf molekularer Ebene bis hin zur nanoskaligen elektrochemischen Oberflächenschicht auf der Graphit-Anodenoberfläche in einer Lithium-Ionen-Batterie.
Dies ermöglichte erstmals die direkte Beobachtung der Entwicklung der gesamten dreidimensionalen Struktur der festen elektrischen Grenzfläche (Solid Electric Interface, SEI), einer Passivierungsschicht im Nanomaßstab, die sich auf der Grenzfläche zwischen Batterieelektrode und Elektrolyt bildet und die entscheidenden Eigenschaften der Batterie bestimmt.
Die Autoren konnten die wichtigsten Prädiktoren für die Bildung der SEI-Schicht in einem komplexen Zusammenspiel von molekularen Dimensionen elektrischer Doppelschichtstrukturen, Oberflächeneigenschaften von Kohlenstoffschichten und der Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Li-Ionen im Elektrolyten aufdecken.
Die Nanoarchitektur von Fest-Flüssig-Grenzflächen ist für Hochleistungsbatterien von entscheidender Bedeutung, doch war es bisher schwierig, Reaktionsgrenzflächen in Batterien zu charakterisieren, da sie von Natur aus schwer zugänglich sind.
Dr. Yue Chen von der Universität Lancaster, der Hauptautor, sagte: „Bislang ist das Verständnis des SEI-Bildungsmechanismus immer noch ein äußerst schwieriges und wenig erforschtes Gebiet, da es keine Technik zur Charakterisierung von Grenzflächen gibt, die sowohl eine Auflösung im Nanobereich als auch einen Betrieb in der Arbeitsumgebung von Batterien ermöglicht.“
Die Dynamik von Grenzflächenreaktionen bestimmt den Energiefluss und die Energieumwandlung und steuert den Transfer chemischer Spezies in wichtigen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen, von katalytischen Reaktionen über die Energiespeicherung und -freisetzung in Batterien bis hin zu Antigen-Antikörper-Interaktionen und der Informationsübertragung über Nervenzellen.
Dies eröffnet der neuen Technik ein breites Spektrum von Bereichen, von der Energiespeicherung über die chemische Technik bis hin zu biomedizinischen Anwendungen.
*) Abstract
„Die Festelektrolyt-Grenzfläche in wiederaufladbaren Li-Ionen-Batterien, ihre Dynamik und vor allem ihre Struktur und Zusammensetzung im Nanomaßstab liefern Hinweise auf eine leistungsstarke und sichere Energiespeicherung. Leider ist das Wissen über die Bildung von Festelektrolyt-Zwischenphasen begrenzt, da es an In-situ-Nano-Charakterisierungswerkzeugen zur Untersuchung von Fest-Flüssig-Grenzflächen fehlt. Hier verbinden wir elektrochemische Rasterkraftmikroskopie, dreidimensionale Nano-Rheologie-Mikroskopie und Oberflächenkraft-Distanz-Spektroskopie, um in situ und operando die dynamische Bildung der Festelektrolyt-Interphase zu untersuchen, beginnend mit einer nur 0,1 nm dicken elektrischen Doppelschicht bis hin zur vollständigen dreidimensionalen nanostrukturierten Festelektrolyt-Interphase auf den typischen Graphit-Basis- und Randebenen in einer negativen Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie. Durch die Untersuchung der Anordnung von Lösungsmittelmolekülen und Ionen innerhalb der elektrischen Doppelschicht und die Quantifizierung der dreidimensionalen mechanischen Eigenschaftsverteilung organischer und anorganischer Komponenten in der gebildeten Festelektrolyt-Interphasenschicht enthüllen wir die Nanoarchitekturfaktoren und das atomistische Bild der anfänglichen Festelektrolyt-Interphasenbildung auf negativen Elektroden auf Graphitbasis in stark und schwach solvatisierenden Elektrolyten.“
->Quellen:
- lancaster.ac.uk/3d-internal-structure-of-rechargeable-batteries-revealed-for-the-first-time
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Originalpublikation: Yue Chen, Wenkai Wu, Sergio Gonzalez-Munoz, Leonardo Forcieri, Charlie Wells, Samuel P. Jarvis, Fangling Wu, Robert Young, Avishek Dey, Mark Isaacs, Mangayarkarasi Nagarathinam, Robert G. Palgrave, Nuria Tapia-Ruiz & Oleg V. Kolosov: Nanoarchitecture factors of solid electrolyte interphase formation via 3D nano-rheology microscopy and surface force-distance spectroscopy, Nature Communications,nature.com/s41467-023-37033-7 – open access