Ein Durchbruch in Bezug auf Dendriten, der von MIT-Forschern gemacht wurde, könnte endlich den Weg zum Bau einer neuen Art von wiederaufladbarer Lithiumbatterie ebnen, die sicherer, leichter und kompakter als bestehende Modelle ist, ein Konzept, das von Labors auf der ganzen Welt verfolgt wird Jahre.
Der Ersatz des flüssigen Elektrolyten zwischen positiver und negativer Elektrode durch eine wesentlich dünnere, leichtere Schicht aus festem Keramikmaterial und der Ersatz einer Elektrode durch festes Lithiummetall sind die beiden wesentlichen Komponenten dieses zukunftsweisenden Fortschritts in der Batterietechnologie. Durch diese Änderungen würden die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht der Batterie erheblich reduziert, und die brennbaren flüssigen Elektrolyte, die ein Sicherheitsrisiko darstellen, würden eliminiert. Dendriten haben sich jedoch als erhebliches Hindernis bei diesem Streben erwiesen.
Dendriten sind Metallwucherungen, die sich auf der Lithiumoberfläche ansammeln, den Festelektrolyten durchdringen und schließlich von einer Elektrode zur anderen kreuzen können, wodurch die Batteriezelle kurzgeschlossen wird. Ihr Name leitet sich vom lateinischen Wort für Zweige ab. Es gab keine großen Fortschritte im Verständnis dafür, was diese Metallfilamente verursacht oder wie sie verhindert werden können, was leichte Festkörperbatterien zu einer problematischen Alternative macht.
Das neue Studie scheint die Frage zu beantworten, was dendritisches Wachstum auslöst, und wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Joule von MIT-Professor Yet-Ming Chiang, Doktorand Cole Fincher und fünf weiteren Forschern vom MIT und der Brown University. Es zeigt auch, wie Dendriten daran gehindert werden können, den Elektrolyten zu durchdringen.
Laut Chiang machte das Team in früheren Arbeiten eine „überraschende und unerwartete“ Entdeckung, nämlich dass Lithium, ein sehr weiches Metall, das harte Festelektrolytmaterial durchdringen kann, das in Festkörperbatterien verwendet wird, wenn sich Lithiumionen zwischen ihnen bewegen zwei Seiten der Batterie beim Laden und Entladen.
Durch die Hin- und Herbewegung der Ionen ändert sich das Volumen der Elektroden. Dadurch wird zwangsläufig der Festelektrolyt belastet, der mit beiden Elektroden, zwischen denen er eingeklemmt ist, vollständigen Kontakt halten muss.
„Um dieses Metall abzulagern, muss das Volumen vergrößert werden, weil man neue Masse hinzufügt“, sagt Chiang. „Also gibt es eine Volumenzunahme auf der Seite der Zelle, wo das Lithium abgeschieden wird. Und selbst wenn mikroskopisch kleine Fehler vorhanden sind, erzeugt dies Druck auf diese Fehler, die zu Rissen führen können.“
Das Team hat nun gezeigt, dass diese Kräfte die Risse verursachen, die die Bildung von Dendriten ermöglichen. Es stellt sich heraus, dass das Hinzufügen von zusätzlicher Spannung in die ideale Richtung und mit der idealen Menge an Kraft die Lösung des Problems ist.
Die Ergebnisse des Teams zeigen, dass mechanische Belastungen das Problem verursachen. Zuvor glaubten einige Forscher, dass Dendriten durch einen rein elektrochemischen Prozess und nicht durch einen mechanischen Prozess gebildet werden.
Fincher entwickelte eine Methode zur Herstellung dünner Zellen mit einem transparenten Elektrolyten, mit der der gesamte Prozess sofort beobachtet und aufgezeichnet werden kann. Der Prozess der Dendritenbildung findet typischerweise tief in den undurchsichtigen Materialien der Batteriezelle statt und kann nicht direkt beobachtet werden.
„Sie können sehen, was passiert, wenn Sie das System komprimieren, und Sie können sehen, ob sich die Dendriten in einer Weise verhalten, die einem Korrosionsprozess oder einem Bruchprozess entspricht“, sagt er.
Durch Anwenden und Lösen von Druck zeigten die Forscher, dass sie das Wachstum von Dendriten direkt steuern konnten, wodurch die Dendriten in perfekter Ausrichtung mit der Kraft im Zickzack bewegten.
Die Dendritenbildung wird durch das Aufbringen mechanischer Kräfte auf den Festelektrolyten nicht verhindert, aber dadurch gesteuert. Dies impliziert, dass sie unschädlich gemacht werden können, indem man sie anweist, parallel zu den beiden Elektroden zu bleiben, und verhindert, dass sie jemals auf die gegenüberliegende Seite übergehen.
Für die Tests wurde das Material mit einem Gewicht an einem Ende in eine Balkenform gebogen, und der Druck wurde durch Biegen des Materials erzeugt. Sie behaupten jedoch, dass es möglicherweise eine Vielzahl von Techniken gibt, um den erforderlichen Stress in der Realität zu erzeugen. Wie bei bestimmten Thermostaten könnte der Elektrolyt beispielsweise unter Verwendung von zwei Materialschichten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten erzeugt werden, was zu einer inhärenten Biegung des Materials führt.
Eine andere Strategie wäre, das Material mit implantierten Atomen zu „dotieren“, was zu irreversiblen Verzerrungen und Spannungen führen würde. Laut Chiang ist dies der gleiche Prozess, der verwendet wird, um das ultraharte Glas herzustellen, das auf den Bildschirmen von Smartphones und Tablets zu sehen ist.
Außerdem ist der erforderliche Druck nicht zu hoch: Die Experimente zeigten, dass Dendriten den Elektrolyten bei Drücken von 150 bis 200 Megapascal nicht durchqueren konnten. Der erforderliche Druck ist „den Belastungen angemessen, die üblicherweise in kommerziellen Filmwachstumsprozessen und vielen anderen Herstellungsprozessen induziert werden“, und sollte daher in der Praxis nicht schwierig umzusetzen sein, fügt Fincher hinzu.
Tatsächlich wird eine andere Art von Spannung, bekannt als Stapeldruck, häufig auf Batteriezellen ausgeübt, indem das Material im Grunde genommen in der Richtung senkrecht zu den Platten der Batterie zusammengedrückt wird – ähnlich wie beim Zusammendrücken eines Sandwichs, indem ein Gewicht darauf gelegt wird. Dies sollte helfen, die Schichten daran zu hindern, sich zu trennen. Die Forschung hat nun jedoch gezeigt, dass Druck in diese Richtung die Dendritenbildung tatsächlich verschlimmert. „Wir haben gezeigt, dass diese Art von Stapeldruck den dendriteninduzierten Ausfall tatsächlich beschleunigt“, sagt Fincher.
Was stattdessen benötigt wird, ist Druck entlang der Ebene der Platten, als ob das Sandwich von den Seiten zusammengedrückt würde. „Was wir in dieser Arbeit gezeigt haben, ist, dass man die Dendriten zwingen kann, sich in die Richtung der Kompression zu bewegen, wenn man eine Druckkraft anwendet“, sagt Fincher, und wenn diese Richtung entlang der Ebene der Platten verläuft, werden die Dendriten „es tun komme niemals auf die andere Seite.“
Das könnte schließlich die Herstellung von Batterien mit metallischen Lithiumelektroden und Festelektrolyten ermöglichen. Diese würden bei gegebenem Volumen und Gewicht nicht nur mehr Energie enthalten, sondern auch auf brennbare flüssige Elektrolyte verzichten.
Nachdem die Grundprinzipien demonstriert wurden, wird der nächste Schritt des Teams darin bestehen, diese auf die Herstellung eines funktionsfähigen Batterieprototyps anzuwenden, sagt Chiang, und dann genau herauszufinden, welche Herstellungsprozesse erforderlich wären, um solche Batterien in großen Mengen herzustellen.
Obwohl sie ein Patent angemeldet haben, planen die Forscher nicht, das System selbst zu kommerzialisieren, sagt er, da es bereits Unternehmen gibt, die an der Entwicklung von Festkörperbatterien arbeiten. „Ich würde sagen, dies ist ein Verständnis der Fehlermodi in Festkörperbatterien, von dem wir glauben, dass die Industrie sich dessen bewusst sein und versuchen muss, es bei der Entwicklung besserer Produkte zu nutzen“, sagt er.
Zum Forschungsteam gehörten Christos Athanasiou und Brian Sheldon von der Brown University sowie Colin Gilgenbach, Michael Wang und W. Craig Carter vom MIT. Die Arbeit wurde von der US National Science Foundation, dem US-Verteidigungsministerium, der US Defense Advanced Research Projects Agency und dem US-Energieministerium unterstützt.
Der gute Professor Chiang und sein Team haben vielleicht das Dendriten-Rätsel gelöst, aber in den letzten Jahren gab es einige Forschungsteams, die behaupteten, das Dendriten-Problem lösen zu können. Steve Hanley aus CleanTechnica berichtete letztes Jahr über eine Gruppe von Forschern aus Singapur, die „behaupten, sie wüssten, wie man diese lästigen Lithium-Ionen-Batterie-Dendriten zähmt“. Das sah vielversprechend aus, aber seitdem haben wir nichts mehr gehört.
Die nächste Phase der Studie zur Schaffung eines funktionsfähigen Batterieprototyps wird mehr Licht in die Forschung bringen. Und dann ist da noch die doppelte Herausforderung von Massenproduktion und kommerzieller Wettbewerbsfähigkeit. Wenn für das Forschungsteam alles wie erwartet läuft, wird dieses neue Design möglicherweise irgendwann in den kommenden Jahren auf den Markt kommen.
Fotos mit freundlicher Genehmigung von MIT
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