Ein Forschungsteam hat eine Technologie entwickelt, die die Stabilität von ultradünnen Metallanoden mit einer Dicke von nur 20 μm drastisch erhöht. Das Team schlug eine neue Methode vor, bei der Elektrolytzusätze verwendet werden, um die Probleme der Lebensdauer und Sicherheit zu lösen, die die Kommerzialisierung von Lithium-Metall-Batterien behindert haben.
Dünnes Metall degradiert schneller
Lithium-Metall-Anoden (3.860 mAh g-1) haben mehr als die zehnfache Kapazität der weit verbreiteten Graphit-Anoden (372 mAh g-1) und weisen ein niedriges Standard-Reduktionspotenzial auf, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für Anodenmaterialien der nächsten Generation macht. Während der Lade-/Entladezyklen neigt Lithium jedoch dazu, in dendritischen Formen zu wachsen, was zu Kurzschlüssen und thermischem Durchgehen führt, was wiederum Lebensdauer- und Sicherheitsprobleme mit sich bringt. Darüber hinaus degradiert die Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) aufgrund der Volumenausdehnung immer wieder und bildet sich neu, was zu einer schnellen Erschöpfung des Elektrolyten führt.
Die Verwendung von ultradünnem Lithiummetall mit einer Dicke von weniger als 50 μm ist insbesondere für die Kommerzialisierung von Lithiummetallbatterien unerlässlich. Diese Probleme werden jedoch mit abnehmender Dicke immer gravierender. Dementsprechend haben sich sowohl die Wissenschaft als auch die Industrie auf das SEI-Engineering konzentriert, um die Stabilität von Lithium-Metall-Anoden zu verbessern, wobei sich SEI-Bildungsstrategien unter Verwendung von Elektrolyt-Additiven als ein einfacher, aber effektiver Ansatz erwiesen haben.
Frühere Studien haben gezeigt, dass Lithiumfluorid (LiF) aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit zu einer verbesserten Stabilität von Lithium- (Li)-Metallanoden beiträgt. In jüngerer Zeit wurde auch berichtet, dass Silber (Ag) durch eine Legierungsreaktion mit Li die gleichmäßige Abscheidung von Lithium fördert. Bisher wurde jedoch noch kein einziger Zusatzstoff erforscht, der gleichzeitig Ag und LiF bilden kann.
Stabilität erfolgreich verbessert
Zu diesem Zweck führte das Team von Professor Yu Silbertrifluormethansulfonat (AgCF3SO3, oder AgTFMS) als Elektrolytzusatz ein, um die Dendritenbildung und die schlechte Zykluslebensdauer zu bekämpfen. Durch verschiedene Oberflächenanalysen bestätigte das Team, dass die Verwendung eines AgTFMS-haltigen Elektrolyten zur gleichzeitigen Bildung von Ag und LiF auf der Lithiummetalloberfläche führt. Auf dieser Grundlage verbesserten sie erfolgreich die Stabilität von ultradünnen (20 μm) Lithium-Metall-Anoden und wiesen experimentell nach, dass die Dendritenbildung wirksam unterdrückt und die Lebensdauer der Batterie im Vergleich zum herkömmlichen System um mehr als das Siebenfache verlängert werden konnte. Gleichzeitig analysierte das Team von Professor Kang Jun-hee von der Pusan National University mit Hilfe der Computerchemie die Wechselwirkungsenergie zwischen Li und Ag und klärte so den zugrunde liegenden Mechanismus für die verbesserte Stabilität auf.
Professor Yu Jong-sung vom DGIST erklärte: „Diese Studie konzentrierte sich darauf, die Grenzen des ultradünnen Lithiummetalls zu überwinden und die Stabilität von Lithium-Metall-Batterien erheblich zu verbessern. Durch die Bildung einer Hochleistungs-SEI mit einem einfachen Ansatz haben wir eine Technologie entwickelt, die sowohl die Lebensdauer als auch die Effizienz von Lithiumbatterien verbessert. Wir erwarten, dass dieser Fortschritt die Kommerzialisierung von Lithium-Metall-Batterien als nachhaltige Energiespeichersysteme für verschiedene Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, unbemannte Luftfahrzeuge und Schiffe beschleunigen wird.“
