Lernen Sie den „Geist“ in Batterien kennen

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Ein Argonne-Team, das Materialien für Festkörperbatterien entwickelt, machte einen unerwarteten Umweg, um winzige Kurzschlüsse, sogenannte Soft-Shorts, zu untersuchen. Ihre Erkenntnisse werden Batterieforschern auf der ganzen Welt zugute kommen.

Forscher des US-Energieministeriums (DAMHIRSCHKUH) Das Argonne National Laboratory hat wichtige neue Erkenntnisse darüber geworfen, wie die ersten Anzeichen eines Batterieausfalls aussehen. Ihre Studie – das sich auf einen Zustand namens „Soft-Shorts“ bezieht – liefert der Forschungsgemeinschaft wertvolles Wissen und Methoden zur Entwicklung besserer Elektrofahrzeuge (EV) Batterien.

Die Forschung des Argonne-Teams konzentrierte sich auf Festkörperbatterien mit Anoden (negativen Elektroden) aus Lithiummetall. Viele sehen solche Geräte als„„Heiliger Gral“ der Batterietechnologien. Warum? Denn Lithiummetall kann auf kleinem Raum eine große Ladungsmenge speichern. Das bedeutet, dass damit deutlich längere Reichweiten von Elektrofahrzeugen möglich sind als mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden.

Allerdings stellt Lithiummetall betriebliche Herausforderungen dar, da es mit den flüssigen Elektrolyten in herkömmlichen Batterien stark reagieren kann. Elektrolyte sind Materialien, die geladene Teilchen, sogenannte Ionen, zwischen den beiden Elektroden einer Batterie bewegen und so gespeicherte Energie in Elektrizität umwandeln.

„Bei typischen Batterietests im Labor messen Forscher die Spannung möglicherweise nur etwa jede Minute. In dieser Zeit hätten Sie die Entstehung und den Tod Tausender Soft-Shorts verpassen können. Sie sind wie kleine Geister, die Ihre Batterie zerstören, ohne dass Sie es merken.“ — Michael Counihan, Argonne-Postdoktorand

Als normal funktionierendes Batterie Bei Entladungen fließen Ionen von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode (positive Elektrode). Gleichzeitig fließen Elektronen von der Anode zu einem externen Gerät – wie einem Telefon oder EV Motor – und dann zurück zur Kathode. Der Elektronenfluss treibt das Gerät an. Wenn eine Batterie geladen wird, kehren sich diese Flüsse um.

Die Verwendung von Lithiummetall neigt dazu, diesen Prozess zu stören. Beim Laden können Lithiumfäden von der Anode abwachsen und in den Elektrolyten eindringen. Wenn diese Wucherungen groß genug werden und bis zur Kathode reichen, entsteht ein dauerhaftes ​„Draht“ zwischen den Elektroden. Schließlich fließen alle Elektronen in der Batterie durch diesen Draht von einer Elektrode zur anderen, ohne die Batterie zu verlassen, um ein Gerät mit Strom zu versorgen. Dieser Vorgang stoppt auch den Ionenfluss zwischen den Elektroden.

„Dies wird als interner Kurzschluss bezeichnet“, sagte Michael Counihan, Postdoktorand der Argonne und leitender Forscher des Teams.​„Der Akku ist ausgefallen und die Elektronen versorgen Ihr Gerät nicht mehr mit Strom.

Der Einbau von Lithium-Metallanoden in Festkörperbatterien – also Batterien mit Festelektrolyten – kann potenziell die Probleme im Zusammenhang mit Filamenten reduzieren und gleichzeitig die Vorteile von Lithium beibehalten.

Ein unerwarteter Abstecher in Soft-Shorts

Das Argonne-Team entwickelte einen neuen Festelektrolyten für EV Batterien und bemerkte ein ungewöhnliches Verhalten.

„„Als wir unsere Batterien im Labor betrieben, beobachteten wir sehr kleine, sehr kurze Spannungsschwankungen“, sagte Counihan.​„Wir beschlossen, einen tieferen Blick darauf zu werfen.“

Die Forscher haben ihre Batterien Hunderte von Stunden lang wiederholt geladen und entladen und dabei verschiedene elektrische Parameter wie die Spannung gemessen. Das Team stellte fest, dass es bei den Batterien zu Softshorts kam, also zu winzigen, vorübergehenden Kurzschlüssen.

Bei einem Soft-Short wachsen Lithiumfäden von der Anode zur Kathode. Allerdings ist das Ausmaß des Wachstums geringer als bei einem Dauerkurzschluss. Während einige Elektronen in der Batterie verbleiben, können andere zu einem externen Gerät fließen. Der Ionenfluss zwischen den Elektroden könnte anhalten. Alle diese Flüsse können stark variieren.

Das Team arbeitete mit Computerexperten von Argonne zusammen, um Modelle zu entwickeln, die die Menge an Ionen- und Elektronenflüssen während Soft-Shorts vorhersagen. Die Modelle berücksichtigen Faktoren wie die Größe der Lithiumfilamente und die Eigenschaften des Elektrolyten.

Batterien mit Soft-Shorts können stunden-, tage- oder sogar wochenlang weiterbetrieben werden. Doch wie das Argonne-Team herausfand, nimmt die Anzahl der Filamente im Laufe der Zeit zu und führt letztendlich zum Ausfall der Batterie.

„Soft-Shorts sind der erste Schritt von der Klippe zu einem dauerhaften Batterieausfall“, sagte Counihan.

Dynamisches Verhalten

Die weitere Untersuchung des Teams ergab, dass sich Softshorts sehr dynamisch verhalten. Sie entstehen, verschwinden und bilden sich oft innerhalb von Mikrosekunden oder Millisekunden neu.

„„Das ist eine wichtige Erkenntnis für Batterieforscher“, sagte Counihan.​„Bei typischen Batterietests im Labor messen Forscher die Spannung möglicherweise nur etwa jede Minute. In dieser Zeit hätten Sie die Entstehung und den Tod Tausender Soft-Shorts verpassen können. Sie sind wie kleine Geister, die Ihre Batterie zerstören, ohne dass Sie es merken.“

Der häufigste Grund, warum Softshorts verschwinden: Hitze. Wenn Elektronen durch die Lithiumfäden fließen, entsteht Wärme – ähnlich der Erwärmung, die bei Haushaltsgerätekabeln auftreten kann. Die Hitze kann die Filamente schnell zum Schmelzen bringen, insbesondere wenn der umgebende Elektrolyt thermisch isolierend ist.

Softshorts können sich auflösen, wenn Filamente mit bestimmten Elektrolyten reagieren. Einige der vom Argonne-Team untersuchten Festelektrolyte können kleine Filamente zerschneiden, bevor sie die Kathode erreichen, und einen internen Kurzschluss verursachen.

Unterstützung der Forschungsgemeinschaft

Während seiner umfassenden Untersuchung von Softshorts entwickelte und demonstrierte das Argonne-Team mehrere neue Methoden zur Erkennung und Analyse des Phänomens. Eine Methode quantifiziert beispielsweise, wie viel Soft-Shorts zum Widerstand einer Batterie gegenüber dem Stromfluss beitragen. Da verschiedene Batteriekomponenten zu diesem Widerstand beitragen können, kann die Isolierung des Beitrags von Softshorts den Forschern helfen, den Zustand ihrer Batterien besser einzuschätzen.

Der Studie, veröffentlicht in der Joule-Ausgabe vom 17. Januar, enthält eine Liste von fast 20 Erkennungs- und Analysetechniken. Etwa ein Drittel dieser Methoden stammt aus der jüngsten Forschung des Teams. Die Autoren der Studie sammelten die anderen Methoden aus informellem, unveröffentlichtem Wissen der Forschungsgemeinschaft.

„Wir haben festgestellt, dass es in der Literatur keine Arbeiten gibt, die mehr als zwei dieser Techniken verwenden“, sagte Counihan.​„Um die Liste für Forscher nützlicher zu machen, haben wir Informationen zu den Vor- und Nachteilen jeder Methode hinzugefügt. Da Softshorts so dynamisch sind, ist es für Forscher gut, viele Werkzeuge zur Verfügung zu haben, um die Auswirkungen von Softshorts besser zu verstehen.“

Das Team wollte Forschern auf der ganzen Welt Einblicke in Soft-Shorts geben, um sie bei ihrer Arbeit zu unterstützen. Beispielsweise können die Techniken in der Arbeit dazu beitragen, die Entwicklung harter Festelektrolyte voranzutreiben, die das Wachstum von Lithiumfilamenten eindämmen.

„Wenn Forscher die Dynamik der Softshorts in ihren Batterien verstehen, sind sie besser in der Lage, ihre Materialien zu verfeinern, um diese Fehlerpfade zu vermeiden“, sagte Counihan.

Das Team stellte seine festen Batterieelektrolyte bei Argonne her Forschungseinrichtung für Werkstofftechnik und bewertete die Materialien bei Argonne Zentrum für nanoskalige MaterialienA DAMHIRSCHKUH Benutzereinrichtung des Office of Science. Die weiteren Autoren der Studie waren neben Counihan Kanchan Chavan, Pallab Barai, Devon Powers, Yuepeng Zhang, Venkat Srinivasan und Sanja Tepavcevic. Die Studie wurde vom Vehicle Technologies Office of finanziert DAMHIRSCHKUHBüro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien.

Über Argonnes Zentrum für nanoskalige Materialien: Das Zentrum für Nanoskalige Materialien ist eines der fünf DAMHIRSCHKUH Nanoscale Science Research Centers, führende nationale Nutzereinrichtungen für interdisziplinäre Forschung im Nanobereich, unterstützt von der DAMHIRSCHKUH Büro für Wissenschaft. Zusammen umfassen die NSRCs eine Reihe sich ergänzender Einrichtungen, die Forschern modernste Fähigkeiten zur Herstellung, Verarbeitung, Charakterisierung und Modellierung nanoskaliger Materialien bieten und die größte Infrastrukturinvestition der National Nanotechnology Initiative darstellen. Die NSRCs befinden sich unter DAMHIRSCHKUH‘s Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia und Los Alamos National Laboratories. Weitere Informationen zum DAMHIRSCHKUH NSRCs, bitte besuchen https://​sci​ence​.osti​.gov/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​i​e​s​/​U​ s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​i​e​s​-​a​t​-​a​-​G​lance.

Argonne National Laboratory sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technik. Als erstes nationales Labor des Landes betreibt Argonne Spitzenforschung in Grundlagenforschung und angewandter Wissenschaft in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, Amerikas wissenschaftliche Führung voranzutreiben und das Land auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern aus mehr als 60 Nationen wird Argonne von geführt UChicago Argonne, GMBH für die Wissenschaftliches Amt des US-Energieministeriums.

Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen besuchen Sie https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

Mit freundlicher Genehmigung von US DOE, Argonne National Laboratory. Von Michael Matz.