Wissenschaftler erhellen die Mechanik von Festkörperbatterien

Wenn Strom durch eine Batterie fließt, erodieren ihre Materialien mit der Zeit. Mechanische Einflüsse wie Stress und Belastung beeinflussen diese Flugbahn, obwohl ihre Auswirkungen auf die Wirksamkeit und Langlebigkeit der Batterie nicht vollständig geklärt sind.

Ein Team unter der Leitung von Forschern des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums entwickelte einen Rahmen für die Konstruktion von Festkörperbatterien (SSBs) unter Berücksichtigung der Mechanik. Ihr Papier, veröffentlicht In Wissenschaftuntersuchten, wie diese Faktoren SSBs während ihres Radfahrens verändern.

„Unser Ziel ist es, die Bedeutung der Mechanik für die Batterieleistung hervorzuheben“, sagte Sergiy Kalnaus, Wissenschaftler in der Gruppe „Multiphysics Modeling and Flows“ des ORNL. „Viele Studien haben sich auf chemische oder elektrische Eigenschaften konzentriert, es jedoch versäumt, die zugrunde liegende Mechanik aufzuzeigen.“

Das Team umfasst mehrere ORNL-Forschungsbereiche, darunter Informatik, Chemie und Materialwissenschaften. Zusammengenommen zeichnete ihre Rezension ein zusammenhängenderes Bild der Bedingungen, die SSBs beeinflussen, indem sie Perspektiven aus dem gesamten wissenschaftlichen Spektrum nutzte. „Wir versuchen, die Kluft zwischen den Disziplinen zu überbrücken“, sagte Kalnaus.

Bei Batterien, geladene Teilchen fließen durch Materialien, die als Elektrolyte bekannt sind. Die meisten sind Flüssigkeiten, wie in den Lithium-Ionen-Batterien von Elektroautos – aber auch feste Elektrolyte werden entwickelt. Diese Leiter bestehen typischerweise aus Glas oder Keramik und könnten Vorteile wie erhöhte Sicherheit und Festigkeit bieten.

„Echte Festkörperbatterien enthalten keine brennbaren Flüssigkeiten“, sagte Kalnaus. „Damit wären sie weniger gefährlich als die heute üblichen Batterien.“

Allerdings befinden sich Festelektrolyte aufgrund der mit diesen neuartigen Materialien verbundenen Herausforderungen noch in einem frühen Entwicklungsstadium. SSB-Komponenten schwellen während des Ladungs- und Massentransports an und schrumpfen, wodurch sich das System verändert. „Während des Batteriebetriebs verformen sich die Elektroden ständig, wodurch es zu Delamination und Hohlräumen an den Grenzflächen zum Festelektrolyten kommt“, sagt Kalnaus. „In den heutigen Systemen besteht die beste Lösung darin, großen Druck auszuüben, um alles zusammenzuhalten.“

Diese Dimensionsänderungen schädigen Festelektrolyte, die aus spröden Materialien bestehen. Sie brechen oft als Reaktion auf Belastung und Druck. Wenn diese Materialien duktiler gemacht würden, könnten sie Belastungen standhalten, indem sie fließen statt zu reißen. Dieses Verhalten kann mit einigen Techniken erreicht werden, die kleine Kristalldefekte in Keramikelektrolyten einbringen.

Elektronen verlassen ein System durch Anoden. In SSBs kann diese Komponente aus reinem Lithium hergestellt werden, dem Metall mit der höchsten Energiedichte. Obwohl dieses Material Vorteile für die Leistung einer Batterie bietet, erzeugt es auch Druck, der den Elektrolyten schädigen kann.

„Während des Ladevorgangs können eine ungleichmäßige Beschichtung und das Fehlen von Entspannungsmechanismen zu Spannungskonzentrationen führen. Diese können große Druckmengen aushalten und so den Fluss von Lithiummetall ermöglichen“, sagte Erik Herbert, Leiter der ORNL-Gruppe für mechanische Eigenschaften und Mechanik. „Um die Leistung und Langlebigkeit von SSBs zu optimieren, müssen wir die nächste Generation von Anoden und Festelektrolyten entwickeln, die mechanisch stabile Grenzflächen aufrechterhalten können, ohne den Festelektrolytseparator zu beschädigen.“

Die Arbeit des Teams ist Teil der langen Geschichte des ORNL in der Erforschung von Materialien für SSBs. In den frühen 1990er Jahren wurde im Labor ein glasartiger Elektrolyt namens Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) entwickelt. LiPON wird häufig als Elektrolyt in Dünnschichtbatterien mit einer metallischen Lithiumanode verwendet. Diese Komponente kann viele Lade-Entlade-Zyklen ohne Ausfall überstehen, was vor allem auf die Duktilität von LiPON zurückzuführen ist. Wenn es mechanischen Belastungen ausgesetzt wird, fließt es, statt zu reißen.

„In den letzten Jahren haben wir gelernt, dass LiPON über robuste mechanische Eigenschaften verfügt, die seine chemische und elektrochemische Haltbarkeit ergänzen“, sagte Nancy Dudney, eine ORNL-Wissenschaftlerin, die das Team leitete, das das Material entwickelt hat.

Die Bemühungen des Teams heben einen noch wenig erforschten Aspekt von SSBs hervor – das Verständnis der Faktoren, die ihre Lebensdauer und Wirksamkeit beeinflussen. „Die Forschungsgemeinschaft brauchte einen Fahrplan“, sagte Kalnaus. „In unserer Arbeit haben wir die Mechanik von Materialien für Festkörperelektrolyte dargelegt und Wissenschaftler dazu ermutigt, diese bei der Entwicklung neuer Batterien zu berücksichtigen.“

UT-Battelle leitet das Oak Ridge National Laboratory für das Office of Science des Energieministeriums. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science. – Reece Brown

Artikel mit freundlicher Genehmigung von Oak Ridge National Laboratory.