Die Verfolgung von Lithium liefert Hinweise auf bessere Batterien

Hinweise auf bessere Batterien – Die Röntgentechnik zeigt Unregelmäßigkeiten und tote Punkte, die durch unvollständiges Lithium-Stripping von der Anode während der Batterieentladung entstehen.

UPTON, NY – Reines Lithiummetall ist ein vielversprechender Ersatz für die Anoden auf Graphitbasis, die derzeit in Elektrofahrzeugbatterien verwendet werden. Es könnte das Batteriegewicht enorm reduzieren und die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu bestehenden Technologien dramatisch erhöhen. Doch bevor Lithium-Metall-Batterien in Autos eingesetzt werden können, müssen Wissenschaftler zunächst herausfinden, wie sie ihre Lebensdauer verlängern können.

Eine neue Studie unter der Leitung von Peter Khalifah – einem Chemiker am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Stony Brook University – verfolgte die Lithiummetallabscheidung und -entfernung von einer Batterieanode während des Zyklus, um Hinweise darauf zu finden, wie es zu einem Ausfall kommt. Die Arbeit wird in einem Sonderheft der veröffentlicht Zeitschrift der Electrochemical Society zu Ehren der Beiträge des mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Batterieforschers John Goodenough, der wie Khalifah Mitglied der ist Battery 500-Konsortium Forschungsgruppe.

„In einer guten Batterie ist die Rate der Lithiumbeschichtung (Abscheidung) und Ablösung (Entfernung) an allen Positionen auf der Oberfläche der Elektroden gleich“, sagte Khalifah. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass es an bestimmten Stellen schwieriger ist, Lithium zu entfernen, was bedeutet, dass es dort Probleme gibt. Indem wir die Ursache der Probleme identifizieren, können wir herausfinden, wie wir sie beseitigen und bessere Batterien mit höherer Kapazität und längerer Lebensdauer herstellen können.“

Khalifah und seine Mitarbeiter führten die Studie unter Verwendung intensiver Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source durch, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Argonne National Laboratory des DOE. Sie verfolgten Lithium, während es während eines vollständigen Lade- und Entladezyklus von der Kathode zur Anode und zurück wanderte.

„Die Röntgenstrahlen können direkt durch die Batterie sehen und ermöglichen es uns, sehr schnell viele Messungen durchzuführen, um zu verfolgen, was passiert, wenn sich die Batterie ändert“, sagte Khalifah. „Nach unserem besten Wissen war noch nie jemand in der Lage, Röntgenstrahlen zu verwenden, um Lithium-Shuttle zu kartieren, während es passiert.“

Eine Herausforderung: Lithiumatome sind mit Röntgenstrahlen schwer zu erkennen. Das schwache Signal der wenigen Lithiumatome, die sich zwischen Kathode und Anode bewegen, kann leicht durch stärkere Signale verdeckt werden, die von anderen Materialien ausgestrahlt werden, aus denen die Batterie besteht – einschließlich des Signals, das von der großen Menge Lithium auf reinem Lithium stammen würde Metallanode.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwarf Khalifahs Team eine Batteriezelle mit einer „blanken“ Anode – zumindest blank in Bezug auf das Vorhandensein von bereits vorhandenem Lithium. Dadurch ist das Signal der pendelnden Lithium-Ionen besser messbar. Anschließend führten sie eine Studie durch, in der zwei verschiedene Anodenmaterialien – Kupfer und Molybdän – verglichen wurden, auf denen Lithiumionen als reines Lithiummetall abgeschieden wurden, nachdem sie während des Betriebs dieser Batterien aus dem Kathodenmaterial extrahiert wurden. Dadurch konnten die Forscher verfolgen, wie gleichmäßig Lithiummetall auf Anodenoberflächen aufgetragen und wieder entfernt wurde. Der Vergleich dieses Prozesses mit Kupfer- und Molybdänanoden bot auch die Möglichkeit, Unterschiede zwischen diesen beiden Metallen zu identifizieren, die sich bei der Entwicklung verbesserter Batterien als fruchtbar erweisen könnten. Mit diesem Aufbau kartierte das Team, wie viel Lithium an der Elektrode vorhanden war, während die Zelle in verschiedenen Lade- und Entladestadien gehalten wurde.

Es dauerte ungefähr eine Stunde, um Karten mit Hunderten von Datenpunkten zu sammeln. Diese Kartierungsdaten könnten verwendet werden, um Änderungen zu identifizieren, die als Ergebnis des Ladens und Entladens der Batterie aufgetreten sind, aber der Prozess der Datenerfassung war zu langsam, um nützlich zu sein, um die Änderungen zu verfolgen, während sie auftraten. Um also Änderungen zu verfolgen, während sie passierten, verwendeten die Wissenschaftler ein schnelleres Datenerfassungsverfahren, um eine kleine Teilmenge von 10 pixelspezifischen Stellen während des Batteriewechsels immer wieder zu scannen.

„Wir haben die Karten erstellt, während sich der Akku im Ruhezustand befand, beginnend mit einer Kapazität von null, und dann Pixelmessungen durchgeführt, als wir bis zur Hälfte der Kapazität aufgeladen hatten. Dann stoppten wir den Ladevorgang und erstellten eine weitere Karte. Dann nahmen wir die pixelspezifischen Messungen wieder auf, während wir bis zur vollen Kapazität aufluden. Wir haben dann die Zelle entladen, während wir weiterhin abwechselnd Kartierung und Pixelscans durchgeführt haben, und haben angehalten, um Karten bei halber und vollständiger Entladung zu sammeln“, erklärte Khalifah.

Die Ergebnisse zeigen Variationen

Bei der Kupferanode verhielten sich alle Punkte während des Ladevorgangs so, wie sie sollten: Bis zum halb geladenen Zustand wurde die halbe Lithiumkapazität auf der Anode abgeschieden, und bis zum vollen Ladezustand wurde alles mögliche Lithium abgeschieden.

Beim Entladen entwickelten sich große Unterschiede zwischen den Pixeln. In einigen Pixeln wurde das Lithium proportional zur Entladung entfernt (die Hälfte des Lithiums wurde durch den Zustand der halben Entladung entfernt und alles war durch die vollständige Entladung verschwunden). Andere Pixel zeigten eine Verzögerung bei der Entfernung von Lithium, wobei das Strippen während der ersten Hälfte der Entladung langsam war und dann beschleunigt wurde, um den Prozess durch vollständige Entladung abzuschließen. An noch anderen Stellen war die Verzögerung so stark, dass das meiste Lithium auf der Anode verblieb, selbst wenn die Batterie vollständig entladen war.

„Wenn das Lithium zurückbleibt, reduziert das die Kapazität der Zelle“, sagte Khalifah. „Jedes zurückgelassene Lithiumatom bedeutet, dass ein Elektron weniger durch den externen Stromkreis fließt, der von der Batterie gespeist wird. Man kann nicht die gesamte Kapazität der Zelle herausholen.“

Der Befund, dass diese Unregelmäßigkeiten aufgrund eines unvollständigen Strippens von Lithium entstanden, war etwas überraschend. Vor dieser Studie hatten viele Wissenschaftler geglaubt, dass die Lithiumbeschichtung die Quelle der schlimmsten Probleme bei Lithium-Metall-Batterien sei.

„Im Allgemeinen erwartet man, dass es schwieriger ist, Lithiummetall abzuscheiden, da die Atome in der spezifischen Anordnung der Kristallstruktur dieses Metalls organisiert werden müssen“, erklärte Khalifah. „Das Entfernen von Lithium sollte einfacher sein, da jedes Atom auf der Oberfläche entfernt werden kann, ohne einem bestimmten Muster folgen zu müssen. Wenn Lithium schneller hinzugefügt wird, als die Atome homogen auf der Oberfläche abgeschieden werden können, tritt das Wachstum in der Regel in Form von nadelartigen Dendriten auf, die elektrische Kurzschlüsse (und möglicherweise Brände) in der Batterie verursachen können.“

Die Molybdänanode zeigte etwas mehr Schwankung während des Plattierens als Kupfer, aber weniger Schwankung während des Ablösens.

„Da das Lithiumverhalten während des Ablöseschritts besser war, der die meisten Gesamtunregelmäßigkeiten in der Anode verursachte, impliziert dies, dass Batterien, die Molybdänfoliensubstrate anstelle von Kupfersubstraten verwenden, Batterien mit höherer Kapazität ergeben könnten“, sagte Khalifah.

Es ist jedoch noch nicht klar, ob die Wahl des Metalls für die bessere Leistung der Molybdänanode verantwortlich ist. Ein weiterer Faktor könnte die Verteilung des Elektrolyten sein – der Flüssigkeit, durch die sich die Lithium-Ionen bewegen, wenn sie zwischen Anode und Kathode hin und her pendeln.

Die Kartierungsdaten zeigten, dass die Bereiche mit schlechter Leistung an Stellen mit einem Durchmesser von etwa fünf Millimetern auftraten. Die Größe und Form dieser Flecken und Vergleiche mit anderen Experimenten deuten darauf hin, dass eine schlechte Verteilung des flüssigen Elektrolyten in der gesamten Batteriezelle für den lokalen Kapazitätsverlust in diesen Bereichen verantwortlich sein könnte. Wenn dies der Fall ist, sagte Khalifah, dann kann die Leistung der Batterie wahrscheinlich verbessert werden, indem eine bessere Methode zur Verteilung des Elektrolyts über die Kathode gefunden wird.

„Folgeexperimente, die darauf abzielen, zwischen Metall- und Lösungsmitteleffekten zu unterscheiden und die Wirksamkeit von Strategien zur Minderung potenzieller Probleme wie Elektrolytinhomogenität zu testen, werden dazu beitragen, das umfassendere Ziel der Entwicklung von Lithium-Metallanoden-Batterien mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer voranzutreiben.“ sagte Khalifa.

Der Doktorand Monty Cosby (links) von der Stony Brook University (SBU) und Senior Gia Carignan (Mitte) sind Co-Erstautoren der Veröffentlichung des Journal of the Electrochemical Society, in der die Forschung zur Lithiumabscheidung und -abscheidung beschrieben wird, die von SBU-Professor und Brookhaven Lab geleitet wurde Chemiker Peter Khalifah (rechts).

Die Rolle von Brookhaven Lab in dieser Forschung wurde vom US Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, Office of Vehicle Technologies, über das Advanced Battery Materials Research Program und das Battery500 Consortium finanziert.

Das Brookhaven National Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen besuchen Sie science.energy.gov.

Mit freundlicher Genehmigung von Brookhaven National Laboratory.


 

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