Batterien
Veröffentlicht auf 22. Juli 2020 |
von Steve Hanley
22. Juli 2020 durch Steve Hanley
Der Fluch der Batterieforscher sind kleine Dinge, die Dendriten genannt werden – kleine Lithiumspitzen, die Batteriezellen durchdringen und zu Bränden oder Explosionen führen können. Wie die Stalagmiten und Stalaktiten in unterirdischen Höhlen werden diese Dendriten im Laufe der Zeit größer und stärker, insbesondere während der Ladezyklen.
Bildnachweis: Jinsoo Kim, Lawrence Berkeley National Lab
Dendriten sind einer der Hauptgründe, warum Batterieforscher Schwierigkeiten haben, Festkörperbatterien zu erfinden, die weniger wahrscheinlich von ihnen beeinträchtigt werden. Es kann jedoch einen besseren und einfacheren Weg geben, um mit dem Dendritenproblem umzugehen. Forscher an der Lawrence Berkeley National LaboratoryIn Zusammenarbeit mit Kollegen der Carnegie Mellon University in Pittsburgh wird behauptet, dass der Weg zur Eroberung der Dendriten eine neue Klasse von weichen und dennoch festen Elektrolyten ist, die sowohl aus Polymeren als auch aus Keramik hergestellt werden. Diese Elektrolyte unterdrücken Dendriten, bevor sie sich ausbreiten können und zum Ausfall der Batterie führen. Ihre Arbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.
"Unsere Technologie zur Unterdrückung von Dendriten hat aufregende Auswirkungen auf die Batterieindustrie", sagt Co-Autor Brett Helms, Mitarbeiter der Molecular Foundry im Berkeley Lab. „Damit können Batteriehersteller sicherere Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer herstellen.“ Er fügt hinzu, dass mit dem neuen Elektrolyten hergestellte Lithiummetallbatterien auch zum Antrieb von Elektroflugzeugen verwendet werden könnten.
Gemäß Berkeley Lab, Helms sagt, der Schlüssel zum Design dieser neuen weichen, festen Elektrolyte ist die Verwendung von weichen Polymeren mit intrinsischer Mikroporosität oder PIMs, deren Poren mit Keramikpartikeln in Nanogröße gefüllt waren. Hier ist der wichtige Teil. Da der Elektrolyt ein flexibles, weiches und dennoch festes Material bleibt, können Batteriehersteller Rollen aus Lithiumfolien mit dem Elektrolyten als Laminat zwischen der Anode und dem Batterietrenner herstellen.
Diese Lithium-Elektroden-Unterbaugruppen (LESAs) können als Ersatz für herkömmliche Graphitanoden eingesetzt werden, sodass Batteriehersteller ihre vorhandenen Montagelinien verwenden können. Dies ist ein großer Vorteil, wenn es darum geht, wissenschaftliche Durchbrüche aus dem Labor in die kommerzielle Produktion zu bringen.
Um die Dendriten unterdrückenden Eigenschaften des neuen PIM-Verbundelektrolyten zu demonstrieren, verwendete das Helms-Team Röntgenstrahlen an der Advanced Light Source von Berkeley Lab, um 3D-Bilder der Grenzfläche zwischen Lithiummetall und Elektrolyt zu erstellen und die Lithiumbeschichtung und das Abisolieren zu visualisieren bis 16 Stunden bei Hochstrom. Ein kontinuierliches glattes Wachstum von Lithium wurde beobachtet, wenn der neue PIM-Verbundelektrolyt vorhanden war, während in seiner Abwesenheit die Grenzfläche verräterische Anzeichen für die frühen Stadien des dendritischen Wachstums zeigte.
Diese und andere Daten bestätigten Vorhersagen aus einem neuen physikalischen Modell für die galvanische Abscheidung von Lithiummetall, das sowohl die chemischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Festelektrolyte berücksichtigt.
"Im Jahr 2017, als die gängige Meinung lautete, dass Sie einen harten Elektrolyten benötigen, haben wir vorgeschlagen, dass ein neuer Mechanismus zur Unterdrückung von Dendriten mit einem weichen Festelektrolyten möglich ist", sagte Co-Autor Venkat Viswanathan, Associate Professor für Maschinenbau und Fakultätsstipendiat an Scott Institute for Energy Innovation an der Carnegie Mellon University, das die theoretischen Studien für die Arbeit leitete. "Es ist erstaunlich, mit PIM-Verbundwerkstoffen eine materielle Umsetzung dieses Ansatzes zu finden."
Gemäß dem ARPA-E IONICS-Programm 24M Technologies hat diese weichen, aber festen Materialien bereits in großformatige Batterien integriert, die in Elektrofahrzeugen oder elektrischen vertikalen Start- und Landeflugzeugen verwendet werden können. „Während für Elektrofahrzeuge und eVTOLs einzigartige Leistungsanforderungen bestehen, scheint die PIM-Verbund-Festelektrolyttechnologie vielseitig zu sein und eine hohe Leistung zu ermöglichen“, sagt Helms. 24M ist seit einigen Jahren intensiv in der Forschung und Produktion von Halbleiterbatterien tätig.
Ende letzten Jahres berichteten wir über Forscher an der Universität von Illinois in Urbana-Champagne, die sich ebenfalls mit dem Dendritenproblem befassten. In unserer Geschichte heißt es: „Viele (Forscher) konzentrieren ihre Aufmerksamkeit auf feste Materialien wie Keramik oder Polymere. Der Nachteil ist, dass viele dieser Feststoffe starr und spröde sind, was zu einem schlechten Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode und einer verringerten Leitfähigkeit führt. “ Die Lawrence Berkeley-Forschung löst dieses Problem der Sprödigkeit und ist im Gegensatz zu der Lösung, die die Wissenschaftler der Universität von Illinois gefunden haben, produktionsbereit oder nahezu produktionsbereit.
Bildnachweis: Joby Aviation
Elektrisch angetriebene VTOL-Flugzeuge gelten als der nächste Schritt im emissionsfreien Stadtverkehr. Branchenriesen wie Toyota tätigen erhebliche Investitionen in Unternehmen wie Joby Aviation. Der CEO von Toyota, Akio Toyoda, sagte Anfang dieses Jahres in einer Erklärung: „Der Luftverkehr war ein langfristiges Ziel für Toyota, und während wir unsere Arbeit im Automobilgeschäft fortsetzen, richtet diese Vereinbarung unser Augenmerk auf den Himmel. Wenn wir gemeinsam mit Joby, einem Innovator im aufstrebenden eVTOL-Bereich, die Herausforderung des Luftverkehrs annehmen, nutzen wir das Potenzial, um den zukünftigen Transport und das zukünftige Leben zu revolutionieren. Durch dieses neue und aufregende Unterfangen hoffen wir, unseren Kunden überall, an Land und jetzt am Himmel Bewegungsfreiheit und Freude zu bieten. “
Der vom Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelte weiche, aber feste Elektrolyt könnte einen großen Beitrag zur Verwirklichung dieses Traums leisten.
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Über den Autor
Steve Hanley Steve schreibt über die Schnittstelle zwischen Technologie und Nachhaltigkeit in seinen Häusern in Florida und Connecticut oder anderswo, wo ihn die Singularität führen könnte. Du kannst ihm folgen Twitter aber nicht auf Social-Media-Plattformen, die von bösen Overlords wie Facebook betrieben werden.