Mit einer Energiedichte, die 2-3 Mal höher ist als die ihrer Konkurrenten, gelten Lithium-Metall-Batterien (LMB) seit langem als die „ultimative Lösung“ für Hochenergie-Batterien. Doch die Nutzung dieses theoretischen Potenzials für Elektrofahrzeuge, Drohnen, automatisierte Flugzeuge, erneuerbare Energiespeicher und andere Anwendungen hat sich als problematisch erwiesen. Sicherheitsbedenken und eine vergleichsweise kurze Lebensdauer der Batterien haben dazu geführt, dass hochenergetische LMBs nicht auf den Markt kamen.
Forscher der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) und der SES AI Corp haben einen neuen Weg aufgezeigt, wie durch die Verbesserung der Lade- und Entladeraten der Batterien langlebigere und leistungsfähigere LMBs entstehen können. Das Team hat diese Raten angepasst, um eine Batterie zu schaffen, die nach 1.000 Zyklen noch eine Kapazität von mehr als 80 Prozent aufwies, was eine erhebliche Leistungssteigerung darstellt.
„Diese aufregende neue Forschung wirft ein Licht auf die signifikanten Auswirkungen der Lade-/Entladeraten auf die Interaktionen auf Komponentenebene und deckt wichtige Degradationsmechanismen auf“, sagte UChicago PME Prof. Shirley Meng, die kürzlich zur Liew Family Professorin für Molecular Engineering ernannt wurde. „Die von uns nachgewiesene verbesserte Zyklenfestigkeit bietet eine vielversprechende Richtung für die Nutzung von Lithium-Metall-Batterien.“
Aufladen und Entladen
Bei den ersten Lade- und Entladevorgängen einer Batterie lagert sich auf der negativ geladenen Anode der Batterie ein dünner Film ab, die so genannte Festkörper-Elektrolyt-Interphase (SEI). Diese Ablagerung ist alles andere als lästig, sondern sogar der Schlüssel zur Leistung der Batterie, da sie eine Schutzschicht bildet, die die Batterie länger funktionsfähig hält.
Lithium-Metall-Batterien bilden jedoch eine instabile SEI. Während die Batterie läuft, lagern sich die Lithium-Ionen weiterhin an der Schutzschicht ab. Wenn sich das Lithium unter der SEI ablagert, bildet es die Schutzschicht und die Batterie funktioniert reibungslos. Wenn es sich jedoch über der SEI ablagert, korrodiert die Batterie schneller. Bei dem instabilen Film eines LMB kann es unmöglich sein, zu erkennen, was gerade passiert.
„Im Idealfall sollte das Lithium unter der SEI, der Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche, abgeschieden werden. Dann wirkt die Grenzfläche als Schutzschicht, aber manchmal kann es sich auch oberhalb dieser Grenzfläche ablagern, was nicht gut ist“, so Co-Erstautor Wurigumula Bao, ein PME-Projektwissenschaftler der UChicago am Meng's Laboratory for Energy Storage and Conversion. „Aber bei der morphologischen Untersuchung der Oberseite dieser Elektrode können wir diesen Unterschied nicht feststellen.“
Falsch platzierte Plattierungsschicht verkürzt Batterielebensdauer drastisch
„Obwohl Lithium-Metall-Batterien einen sehr offensichtlichen Vorteil haben, nämlich die Energiedichte, besteht das Problem darin, dass die Lebensdauer nach dem Zyklus sehr viel kürzer ist“, so Co-Erstautor Yunya Zhang von SES AI Corp, einem Gründungsmitglied des UChicago Energy Transition Network. „Unter den üblichen Zyklusbedingungen ist die Lebensdauer einer Lithium-Metall-Batterie wahrscheinlich drei- bis fünfmal kürzer als die einer Lithium-Ionen-Batterie.
Das Forschungsteam fand heraus, dass eine Lithium-Metall-Batterie, die sich langsam auflädt, aber schnell entlädt, viele dieser Hürden überwindet. Langsames Aufladen fördert die Lithium-Kernbildung und das Wachstum und ermöglicht eine gesündere Lithiumablagerung auf der SEI. Schnelles Entladen fördert die Ablagerung von Lithium unter der SEI, wo es eine Schutzschicht bildet, die Korrosion verhindert. „Die Lade- und Entladerate ist tatsächlich einer der kritischsten Faktoren für die Batterieleistung, vor allem auf dem Weg zur Kommerzialisierung“, so Bao.
Der Weg zum Markt
Eine Lithium-Metall-Batterie ist nicht einfach eine leistungsstärkere Version der Lithium-Ionen-Batterien in Laptops und Handys. „Man kann Lithium-Ionen-Batterien nicht einfach durch Lithium-Metall-Batterien ersetzen, ohne etwas anderes zu ändern“, sagte Zhang. „Obwohl sie sich sehr ähnlich anhören, handelt es sich um ganz andere Systeme, vor allem im Hinblick auf das Lade-/Entladeprotokoll, das eng mit der Art und Weise zusammenhängt, wie wir die Batterie verwenden.“
„Dies erfordert sowohl technische als auch rechtliche Änderungen“, so Bao. Die derzeitigen Vorschriften und Industrieprotokolle für Elektroauto-Batterien erlauben beispielsweise Lade-/Entladeraten, die auf den Lithium-Ionen-Batterien basieren. Bei Lithium-Metall-Batterien handelt es sich um eine ganz andere Technologie, die möglicherweise ihre eigenen speziellen Protokolle erfordert, bevor sie auf den Markt kommen kann.
Bao sagte, dass die nächsten Schritte auf dem Weg zu kommerziellen Lithium-Metall-Batterien die Gestaltung von Industrieprotokollen und die Durchführung einer eingehenden Interphasenstudie umfassen, um die Batterieleistung für diese potenziell branchenverändernde Energiespeicherlösung systematisch zu verbessern. „Diese Interphasenstudie wird eine umfassende Optimierung beinhalten, einschließlich der Elektrolytzusammensetzung und der Interphasenstabilität. Durch die Parametrisierung dieser Schlüsseleigenschaften und den Einsatz von KI und maschinellem Lernen wollen wir die Leistung verbessern, insbesondere in Bezug auf Sicherheit, Schnellladung und Zyklenstabilität“, sagte sie.
