Von Mobiltelefonen bis hin zu Laptops – Lithium-Ionen-Batterien treiben viele der Geräte an, auf die wir angewiesen sind. Angesichts der wichtigen Rolle, die diese Technologie in der modernen Welt spielt, versuchen Wissenschaftler ständig, sicherere und energieeffizientere Batterietechnologien zu entwickeln. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit hat ein Team unter der Leitung von Forschern des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) wichtige Erkenntnisse über feste Elektrolyte veröffentlicht, die sie für den Einsatz in Festkörperbatterien testen. Ihre Erkenntnisse könnten zu sichereren, energieeffizienteren Batterien führen.
Feste versus flüssige Elektrolyte
Elektrolyte sind wie Membranen, die es ermöglichen, dass die von Lithiumionen getragene elektrische Ladung zwischen der positiven und der negativen Elektrode einer Batterie fließen kann. Festkörperbatterien verwenden feste statt flüssige Elektrolyte. Sie entwickeln sich zu einer entscheidenden Technologie für die künftige Entwicklung von leichten, energiedichten, langlebigen und sicheren Lithium-Ionen-Batterien. Feste Elektrolyte sind im Gegensatz zu den flüssigen Elektrolyten, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, weder flüchtig noch entflammbar. „Es ist wichtig zu wissen, wie ein Dotierstoff mit Lithium reagieren wird. Das ist eine weitere Voraussetzung für gute Elektrolyte, nicht nur eine hohe Leitfähigkeit“, so Peter Zapol, Argonne-Physiker und leitender Forscher der Studie.
Sie sind auch weniger reaktiv mit Lithium-Metall, so dass feste Elektrolyte besser mit Lithium-Metall-Elektroden kompatibel sind als flüssige Elektrolyte. Da alle Atome in Lithiummetall an der Ladung und Entladung einer Batterie teilnehmen können – und damit mehr Energie speichern können – hat Lithiummetall eine höhere Energiedichte als Graphit, ein herkömmliches Elektrodenmaterial. Festelektrolyte aus Lithium-Lanthan-Zirkonium-Granat (LLZO) sind ein führender Kandidat für eine solche Batterie. Dieses Material zeichnet sich durch seine Festigkeit und Haltbarkeit aus. Es zeichnet sich auch durch seine Leitfähigkeit aus, das heißt durch die Leichtigkeit, mit der es Lithiumionen während des Ladens und Entladens zwischen den Elektroden transportiert.
LLZO dotieren
Um LLZO noch besser zu machen, haben Forscher damit experimentiert, kleine Mengen von Elementen wie Aluminium oder Gallium hinzuzufügen, um die Leitfähigkeit des LLZO für Lithiumionen zu verbessern. Dieser Prozess wird als Dotierung bezeichnet. Dotierung bedeutet, dass kleine Mengen eines anderen Elements hinzugefügt werden, um die Eigenschaften eines Materials zu verändern und zu verbessern. Es ist so, als würde man einem Rezept eine Prise Gewürz hinzufügen, um das Gericht zu verbessern.
Die Dotierung mit Aluminium und Gallium trägt dazu bei, dass LLZO die symmetrischste Struktur beibehält und freie Räume schafft. Durch diese Freiräume können die Lithiumionen leichter aus den Elektroden entweichen und die Leitfähigkeit verbessern. Die Dotierung kann jedoch dazu führen, dass das LLZO mit Lithiummetall reaktiver wird, wodurch sich die Lebensdauer der Batterie verkürzt.
In der Studie untersuchten die Forscher, was passiert, wenn LLZO mit Aluminium- oder Galliumdotierungen mit metallischem Lithium in Kontakt kommt. Mithilfe von Berechnungs- und experimentellen Techniken fanden die Forscher heraus, dass Gallium leichter aus dem Elektrolyten austritt und eine stärkere Tendenz hat, mit dem Lithium zu reagieren und eine Legierung zu bilden. Dies führt dazu, dass die Galliummenge abnimmt. Der Verlust von Gallium kann dazu führen, dass das Lithiumgranat seine Struktur verändert und die Ionenleitfähigkeit abnimmt. Im Gegensatz dazu bleibt aluminiumdotiertes LLZO intakt.
Material mit hoher Leitfähigkeit und Stabilität
Gallium-dotiertes LLZO ist attraktiv, weil es eine viel höhere Ionenleitfähigkeit hat als Aluminium-dotiertes LLZO. Die Reaktivität dieser Dotierstoffe bei Kontakt mit Lithium veranlasste die Forscher jedoch zu der Feststellung, dass für die Verwendung von Gallium eine Grenzflächenschicht erforderlich ist, die die Leitfähigkeit schützt und bewahrt, aber die Reaktivität verhindert. Wenn die Wissenschaftler verstehen, warum sich LLZO je nach zugesetztem Dotierstoff unterschiedlich verhält, können sie bessere Materialien für stabile und zuverlässige Festkörperbatterien entwickeln.
„Es ist wichtig zu wissen, wie ein Dotierstoff mit Lithium reagiert“, sagte Zapol. Das ist eine weitere Voraussetzung für gute Elektrolyte, nicht nur für eine hohe Leitfähigkeit. „Wenn die Dotierstoffe instabil sind, reicht eine verbesserte Leitfähigkeit nicht aus“, erklärte Sanja Tepavcevic, Chemikerin in Argonne und leitende Wissenschaftlerin der Studie. „Wenn wir die Reaktivität von der Leitfähigkeit trennen können, oder wenn wir ein Material entwickeln können, das sowohl eine hohe Leitfähigkeit als auch eine hohe Stabilität aufweist, dann ist das im Grunde das, was wir mit dieser Arbeit zu zeigen versuchen“, sagte sie.
Verschiedene Techniken für den Erfolg
Durch die Kombination von rechnerischen und experimentellen Techniken konnten die Forscher die wichtigsten Eigenschaften der dotierten Materialien messen. Gleichzeitig erhielten sie auf atomarer Ebene Einblicke in die Vorgänge an der Grenzfläche zwischen dem Lithiummetall und dem Festelektrolyten. Mithilfe einer leistungsstarken computergestützten Methode, der Dichtefunktionaltheorie, mit der untersucht wird, wie sich Atome und Elektronen in Materialien verhalten, konnten die Forscher die Stabilität verschiedener Dotierstoffe und deren Reaktion mit anderen Substanzen vorhersagen.
„Es gibt nur wenige experimentelle Techniken, die es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Grenzfläche zwischen Festkörperelektrolyt und Elektrode zu untersuchen, vor allem, wenn während des Batteriebetriebs eine elektrochemische Reaktion abläuft. Das liegt daran, dass diese Grenzflächen ,begraben' sind und mit den meisten experimentellen Techniken nicht sichtbar sind“, so Tepavcevic.
Eine Technik, die die Forscher einsetzten, war die Röntgenphotoelektronenspektroskopie, um Veränderungen in der Oberflächenchemie von LLZO zu untersuchen. Ein weiteres Verfahren war die elektrochemische Impedanzspektroskopie zur Analyse der Bewegung von Lithiumionen in Elektrolyten und an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche.
Eine weitere von den Forschern eingesetzte experimentelle Technik, die Neutronenbeugung, hilft bei der Bestimmung der Anordnung der Atome in einem Material. In diesem Fall half sie den Forschern zu bestätigen, dass Gallium weniger stabil und reaktiver wurde, sobald es mit Lithium wechselwirkte, während Aluminium stabil blieb.
Partner
Diese Forschung profitierte von der Zusammenarbeit mit mehreren anderen Einrichtungen, darunter die University of California, Santa Barbara, die hochwertiges LLZO zur Verfügung stellte. Die Neutronenbeugungsexperimente wurden an Einrichtungen des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums in Deutschland und des Instituts für Kernphysik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in der Tschechischen Republik durchgeführt. „Die Rolle der amerikanisch-deutschen Zusammenarbeit war für diese Arbeit absolut entscheidend“, sagte Zapol. „Diese Ergebnisse eröffnen neue Wege für die internationale Suche nach sichereren und effizienteren Festkörperbatterien.“
Die U.S.-German Cooperation on Energy Storage, die die Studie finanziert hat, wurde vom DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy für sein Vehicle Technologies Office gegründet, um bei der Forschung an Lithiumbatterien zusammenzuarbeiten.
