Festkörperbatterie lädt sich Tausende Zyklen lang in Minuten auf

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Forschung ebnet Weg für bessere Lithium-Metall-Batterien

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben eine neue Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die mindestens 6.000 Mal aufge- und entladen werden kann – mehr als jede andere Pouch-Batteriezelle – und die in wenigen Minuten wieder aufgeladen werden kann, schreibt Leah Burrows am 08.01.2024 auf der SEAS-Webseite. Die Forschungsarbeit beschreibt nicht nur einen neuen Weg zur Herstellung von Festkörperbatterien mit einer Lithium-Metall-Anode, sondern bietet auch neue Erkenntnisse über die für diese potenziell revolutionären Batterien verwendeten Materialien. Sie wurde in Nature Materials veröffentlicht.

Batterien – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft

„Lithium-Metall-Anoden-Batterien gelten als der heilige Gral der Batterien, da sie eine zehnmal höhere Kapazität als handelsübliche Graphitanoden haben und die Reichweite von Elektrofahrzeugen drastisch erhöhen könnten“, so Xin Li, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften an der SEAS und Hauptautor der Studie. „Unsere Forschung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu praktischeren Festkörperbatterien für industrielle und kommerzielle Anwendungen.“

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Batterien ist die Bildung von Dendriten auf der Oberfläche der Anode. Diese Strukturen wachsen wie Wurzeln in den Elektrolyten hinein und durchdringen die Barriere zwischen Anode und Kathode, was zu einem Kurzschluss oder sogar zum Brand der Batterie führen kann.

Diese Dendriten bilden sich, wenn Lithiumionen während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode wandern und sich an der Oberfläche der Anode festsetzen. Durch die Ablagerung entsteht eine unebene, inhomogene Oberfläche, wie Plaque auf den Zähnen, auf der sich Dendriten festsetzen können. Bei der Entladung muss diese Beschichtung entfernt werden, und wenn die Beschichtung ungleichmäßig ist, kann der Ablösungsprozess langsam sein und zu Schlaglöchern führen, die bei der nächsten Ladung eine noch größere Ungleichmäßigkeit der Beschichtung verursachen.

2021 fanden Li und sein Team eine Möglichkeit, mit Dendriten umzugehen, indem sie eine Mehrschichtbatterie entwarfen, bei der verschiedene Materialien mit unterschiedlicher Stabilität zwischen Anode und Kathode eingefügt wurden. Dieses mehrschichtige, aus mehreren Materialien bestehende Design verhinderte das Eindringen von Lithium-Dendriten nicht, indem es sie gänzlich aufhielt, sondern indem es sie kontrollierte und eindämmte. In dieser neuen Forschungsarbeit verhindern Li und sein Team die Bildung von Dendriten, indem sie mikroskopisch kleine Siliziumpartikel in der Anode verwenden, um die Lithiumreaktion einzuschränken und die homogene Abscheidung einer dicken Schicht aus Lithiummetall zu erleichtern.

Wenn Lithiumionen während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode wandern, wird die Abscheidungsreaktion an der flachen Oberfläche eingeschränkt, und die Ionen lagern sich an der Oberfläche des Siliziumpartikels an, dringen aber nicht weiter ein. Dies unterscheidet sich deutlich von der Chemie flüssiger Lithium-Ionen-Batterien, bei denen die Lithium-Ionen eindringen und schließlich die Siliziumteilchen in der Anode zerstören. In einer Festkörperbatterie hingegen werden die Ionen an der Oberfläche des Siliziums eingeengt und durchlaufen den dynamischen Prozess der Lithiumbildung, um eine Lithiummetallschicht um den Siliziumkern zu bilden. „In unserem Design wird das Lithiummetall um das Siliziumteilchen gewickelt, wie eine harte Schokoladenschale um einen Haselnusskern in einem Schokoladentrüffel“, sagt Li.

Diese beschichteten Partikel schaffen eine homogene Oberfläche, über die sich die Stromdichte gleichmäßig verteilt und das Wachstum von Dendriten verhindert. Und da die Beschichtung und Ablösung auf einer gleichmäßigen Oberfläche schnell erfolgen kann, lässt sich die Batterie in nur etwa 10 Minuten wieder aufladen.

Die Forscher bauten eine briefmarkengroße Pouch-Cell-Version der Batterie, die 10 bis 20 Mal größer ist als die in den meisten Universitätslabors hergestellte Knopfzelle. Die Batterie behielt nach 6.000 Zyklen 80 % ihrer Kapazität und übertraf damit andere heute auf dem Markt erhältliche Pouch-Cell-Batterien. Die Technologie wurde über das Harvard Office of Technology Development an Adden Energy lizenziert, ein Harvard-Spinoff-Unternehmen, das von Li und drei Harvard-Alumni mitbegründet wurde. Das Unternehmen hat die Technologie weiterentwickelt, um eine Taschenzellenbatterie in der Größe eines Mobiltelefons herzustellen.

Li und sein Team charakterisierten auch die Eigenschaften, die es dem Silizium ermöglichen, die Diffusion von Lithium einzuschränken, um den dynamischen Prozess zu erleichtern, der eine homogene Ablagerung von dickem Lithium begünstigt. Anschließend definierten sie einen einzigartigen Eigenschaftsdeskriptor zur Beschreibung eines solchen Prozesses und berechneten ihn für alle bekannten anorganischen Materialien. Dabei entdeckte das Team Dutzende von anderen Materialien, die möglicherweise eine ähnliche Leistung erbringen könnten.

„Frühere Forschungen hatten ergeben, dass auch andere Materialien, darunter Silber, als gute Anodenmaterialien für Festkörperbatterien dienen könnten“, so Li. „Unsere Forschung erklärt einen möglichen zugrundeliegenden Mechanismus des Prozesses und bietet einen Weg zur Identifizierung neuer Materialien für das Batteriedesign.“

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