Von Elektrofahrzeugen bis hin zu kabellosen Kopfhörern - herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien treiben unser tägliches Leben an, da sie sich schnell aufladen und viel Energie speichern. Sie sind jedoch auf eine Lösung angewiesen, die als flüssiger Elektrolyt bekannt ist und bei Beschädigung oder Überhitzung in Brand geraten kann.
Forscher der University of Missouri haben möglicherweise eine Lösung gefunden: Assistenzprofessor Matthias Young und sein Team haben herausgefunden, wie man feste Elektrolyte anstelle von Flüssigkeiten oder Gelen verwenden kann, um Festkörperbatterien herzustellen, die sicherer und energieeffizienter sind.
Zwischenschicht beeinträchtigt Batterieleistung
„Wenn der Festelektrolyt mit der Kathode in Berührung kommt, reagiert er und bildet eine Zwischenschicht, die etwa 100 nm dick ist – 1.000-mal kleiner als ein einzelnes menschliches Haar“, sagt Young, der sowohl am College of Engineering als auch am College of Arts and Science von Mizzou tätig ist. „Diese Schicht verhindert, dass sich die Lithium-Ionen und Elektronen leicht bewegen können, was den Widerstand erhöht und die Batterieleistung beeinträchtigt.
Das Verständnis dieses Problems bei Festkörperbatterien – und die Frage, wie es gelöst werden kann – beschäftigt die Wissenschaftler schon seit mehr als einem Jahrzehnt.
Youngs Team ging das Problem an, indem es die Ursache besser verstand. Mit Hilfe der vierdimensionalen Rastertransmissionselektronenmikroskopie (4D STEM) untersuchten die Forscher die atomare Struktur der Batterie, ohne sie zu zerlegen – ein revolutionärer Durchbruch auf diesem Gebiet. Dieses neuartige Verfahren ermöglichte es ihnen, ein grundlegendes Verständnis der chemischen Reaktionen im Inneren der Batterie zu erlangen, wobei sie schließlich feststellten, dass die Zwischenschicht der Schuldige war.
Ansatz auf der Nanoebene
Youngs Labor ist auf Dünnschichten spezialisiert, die durch einen Dampfphasenabscheidungsprozess gebildet werden, der als oxidative Molekularschichtabscheidung (oMLD) bekannt ist. Jetzt will er testen, ob die Dünnschichtmaterialien seines Labors Schutzschichten bilden können, die verhindern, dass der Festelektrolyt und die Kathodenmaterialien miteinander reagieren.
„Die Beschichtungen müssen dünn genug sein, um Reaktionen zu verhindern, aber nicht so dick, dass sie den Lithium-Ionen-Fluss blockieren“, sagte er. „Wir wollen die Hochleistungseigenschaften der Festelektrolyt- und Kathodenmaterialien erhalten. Unser Ziel ist es, diese Materialien zusammen zu verwenden, ohne ihre Leistung zugunsten der Kompatibilität zu opfern.“
Dieser sorgfältig ausgearbeitete Ansatz auf der Nanoebene wird dazu beitragen, dass diese Materialien nahtlos zusammenarbeiten - und Festkörperbatterien einen Schritt näher an die Realität bringen.
Dieser Artikel wurde per KI ins Deutsche übersetzt.
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