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Eine neue Festkörperbatterie überrascht die Forscher, die sie entwickelt haben

Freigeschaltet am 25.09.2021 um 06:46 durch Thorsten Schmitt
Lithium-Ionen-Akkumulator (Symbolbild)
Lithium-Ionen-Akkumulator (Symbolbild)

Foto: Kreuzschnabel
Lizenz: CC BY-SA 3.0
Die Originaldatei ist hier zu finden.

Ingenieure haben einen neuen Batterietyp entwickelt, der zwei vielversprechende Batterie-Teilbereiche in einer einzigen Batterie vereint. Die Batterie verwendet sowohl einen Festkörperelektrolyten als auch eine Vollsiliziumanode, was sie zu einer reinen Silizium-Festkörperbatterie macht. Die ersten Testrunden haben gezeigt, dass die neue Batterie sicher ist, eine lange Lebensdauer hat und eine hohe Energiedichte aufweist. Sie ist vielversprechend für eine breite Palette von Anwendungen, von der Netzspeicherung bis hin zu Elektrofahrzeugen.

Die Batterietechnologie wird in der Ausgabe vom 24. September 2021 der Fachzeitschrift Science beschrieben. Nanoingenieure der University of California San Diego leiteten die Forschung in Zusammenarbeit mit Forschern von LG Energy Solution.

Siliziumanoden sind berühmt für ihre Energiedichte, die 10-mal höher ist als die der Graphitanoden, die in den heutigen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien am häufigsten verwendet werden. Andererseits sind Siliziumanoden dafür berüchtigt, dass sie sich beim Laden und Entladen der Batterie ausdehnen und zusammenziehen und dass sie sich mit flüssigen Elektrolyten abbauen. Diese Herausforderungen haben dazu geführt, dass Vollsiliziumanoden trotz der verlockenden Energiedichte nicht in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Die neue Arbeit, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, zeigt einen vielversprechenden Weg für Vollsiliziumanoden auf - dank des richtigen Elektrolyten.

"Mit dieser Batteriekonfiguration betreten wir Neuland für Festkörperbatterien, die Anoden aus Legierungen wie Silizium verwenden", sagte Darren H. S. Tan, der Hauptautor der Studie. Er hat vor kurzem seine Promotion in Chemieingenieurwesen an der UC San Diego Jacobs School of Engineering abgeschlossen und ist Mitbegründer des Start-ups UNIGRID Battery, das diese Technologie lizenziert hat.

Die nächste Generation von Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte basiert seit jeher auf metallischem Lithium als Anode. Dies führt jedoch zu Einschränkungen bei den Batterieladezeiten und erfordert eine hohe Temperatur (in der Regel 60 Grad Celsius oder mehr) während des Ladevorgangs. Die Siliziumanode überwindet diese Beschränkungen und ermöglicht viel schnellere Ladegeschwindigkeiten bei Raum- und Niedrigtemperaturen, während gleichzeitig hohe Energiedichten beibehalten werden.

Das Team demonstrierte eine vollständige Zelle im Labormaßstab, die 500 Lade- und Entladezyklen mit einer Kapazitätserhaltung von 80 % bei Raumtemperatur ermöglicht.

Silizium als Anode zum Ersatz von Graphit

Siliziumanoden sind natürlich nicht neu. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler und Batteriehersteller nach Silizium als energiereichem Material, das in Lithium-Ionen-Batterien mit herkömmlichen Graphitanoden gemischt werden oder diese vollständig ersetzen kann. Theoretisch bietet Silizium etwa die zehnfache Speicherkapazität von Graphit. In der Praxis haben Lithium-Ionen-Batterien, bei denen der Anode zur Erhöhung der Energiedichte Silizium zugesetzt wurde, jedoch in der Regel mit Leistungsproblemen zu kämpfen: Insbesondere ist die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge bei gleichbleibender Leistung nicht hoch genug.

Ein Großteil des Problems wird durch die Wechselwirkung zwischen Siliziumanoden und den flüssigen Elektrolyten, mit denen sie gepaart sind, verursacht. Die Situation wird durch die große Volumenausdehnung der Siliziumteilchen während des Ladens und Entladens erschwert. Dies führt im Laufe der Zeit zu erheblichen Kapazitätsverlusten.

"Als Batterieforscher ist es von entscheidender Bedeutung, die Probleme im System an der Wurzel zu packen. Bei Siliziumanoden wissen wir, dass eines der größten Probleme die Instabilität der Flüssigelektrolyt-Grenzfläche ist", sagt Shirley Meng, Professorin für Nanotechnik an der UC San Diego, korrespondierende Autorin der Science Veröffentlichung und Direktorin des Institute for Materials Discovery and Design an der UC San Diego. "Wir brauchten einen völlig anderen Ansatz", sagte Meng.

Das von der UC San Diego geleitete Team verfolgte einen anderen Ansatz: Es eliminierte den Kohlenstoff und die Bindemittel und verwendete reine Siliziumanoden. Darüber hinaus verwendeten die Forscher Mikro-Silizium, das weniger bearbeitet und preiswerter ist als das häufiger verwendete Nano-Silizium.

Eine reine Solid-State-Lösung

Das Team entfernte nicht nur den gesamten Kohlenstoff und die Bindemittel von der Anode, sondern auch den flüssigen Elektrolyten. Stattdessen verwendeten sie einen festen Elektrolyten auf Sulfidbasis. Ihre Experimente zeigten, dass dieser Festelektrolyt in Batterien mit Vollsiliziumanoden äußerst stabil ist.

"Diese neue Arbeit bietet eine vielversprechende Lösung für das Problem der Siliziumanode, auch wenn es noch mehr zu tun gibt", sagte Professorin Shirley Meng. "Ich sehe dieses Projekt als Bestätigung unseres Ansatzes in der Batterieforschung hier an der UC San Diego. Wir verbinden strengste theoretische und experimentelle Arbeit mit Kreativität und unkonventionellem Denken. Wir wissen auch, wie man mit Partnern aus der Industrie zusammenarbeitet und gleichzeitig schwierige grundlegende Herausforderungen bewältigt."

Bisherige Bemühungen um die Kommerzialisierung von Anoden aus Siliziumlegierungen konzentrierten sich hauptsächlich auf Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe oder auf die Kombination nanostrukturierter Partikel mit polymeren Bindemitteln. Aber sie hatten immer noch mit mangelnder Stabilität zu kämpfen.

Indem sie den flüssigen Elektrolyten gegen einen festen Elektrolyten austauschten und gleichzeitig den Kohlenstoff und die Bindemittel von der Siliziumanode entfernten, vermieden die Forscher eine Reihe von Problemen, die entstehen, wenn die Anoden während des Betriebs der Batterie mit dem organischen flüssigen Elektrolyten durchtränkt werden.

Gleichzeitig konnte das Team durch den Wegfall des Kohlenstoffs in der Anode den Grenzflächenkontakt (und unerwünschte Nebenreaktionen) mit dem Festelektrolyten erheblich reduzieren und so den kontinuierlichen Kapazitätsverlust vermeiden, der normalerweise bei Elektrolyten auf Flüssigkeitsbasis auftritt.

Dieser zweiteilige Schritt ermöglichte es den Forschern, die Vorteile der kostengünstigen, energiereichen und umweltfreundlichen Eigenschaften von Silizium voll auszuschöpfen.

Auswirkungen & Spin-off Kommerzialisierung

"Der Festkörper-Silizium-Ansatz überwindet viele Einschränkungen herkömmlicher Batterien. Das eröffnet uns spannende Möglichkeiten, die Marktanforderungen nach höherem Energievolumen, niedrigeren Kosten und sichereren Batterien, insbesondere für die Energiespeicherung im Netz, zu erfüllen", sagte Darren H. S. Tan, der Erstautor der wissenschaftlichen Arbeit.

Feste Elektrolyte auf Sulfidbasis galten oft als sehr instabil. Dies beruhte jedoch auf den traditionellen thermodynamischen Interpretationen, die für flüssige Elektrolytsysteme verwendet wurden, was der hervorragenden kinetischen Stabilität von Festelektrolyten nicht gerecht wurde. Das Team sah eine Möglichkeit, diese kontraintuitive Eigenschaft zu nutzen, um eine hochstabile Anode zu schaffen.

Tan ist CEO und Mitbegründer eines Start-ups, UNIGRID Battery, das die Technologie für diese Silizium-Festkörperbatterien lizenziert hat.

Parallel dazu wird an der UC San Diego die damit verbundene Grundlagenarbeit fortgesetzt, einschließlich einer zusätzlichen Forschungszusammenarbeit mit LG Energy Solution.

"LG Energy Solution ist hocherfreut, dass die neueste Forschung zur Batterietechnologie mit der UC San Diego es in die Fachzeitschrift Science geschafft hat, eine bedeutende Anerkennung", sagte Myung-hwan Kim, Präsident und Chief Procurement Officer bei LG Energy Solution. "Mit den neuesten Erkenntnissen ist LG Energy Solution der Realisierung von Festkörperbatterietechniken ein großes Stück näher gekommen, was unsere Batterieproduktpalette erheblich diversifizieren würde."

"Als führender Batteriehersteller wird LGES seine Bemühungen fortsetzen, modernste Techniken in der Spitzenforschung für Batteriezellen der nächsten Generation zu fördern", fügte Kim hinzu. LG Energy Solution hat angekündigt, dass es seine Forschungszusammenarbeit mit der UC San Diego im Bereich der Festkörperbatterien weiter ausbauen will.

Die Studie wurde von LG Energy Solution?s Open Innovation unterstützt, einem Programm, das Forschung im Bereich Batterien aktiv fördert. Die LGES hat mit Forschern in aller Welt zusammengearbeitet, um entsprechende Techniken zu fördern.

Titel der Arbeit"Carbon Free High Loading Silicon Anodes Enabled by Sulfide Solid Electrolytes", in der Ausgabe vom 24. September 2021 von Science.

Autoren

Darren H. S. Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik A. Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen und Ying Shirley Meng vom Department of NanoEngineering, Program of Chemical Engineering, and Sustainable Power & Energy Center (SPEC) University of California San Diego Jacobs School of Engineering; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, von LG Energy Solution, Ltd.

Finanzierung

Diese Studie wurde von der Firma LG Energy Solution im Rahmen des Battery Innovation Contest (BIC) finanziell unterstützt. Z.C. bedankt sich für die Unterstützung durch den Start-up-Fonds der Jacob School of Engineering der University of California San Diego. Y.S.M. dankt für die finanzielle Unterstützung durch den Zable Endowed Chair Fund.

Quelle: LG Energy Solution (ots)

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