Wissenschaftler verwenden Additive mit mehrwertigen Kationen, um wiederaufladbare Batterien von einem häufigen Fallstrick zu befreien

Forscher der Universität Tohoku haben ein Mittel entdeckt, um Lithium- oder Natriumablagerungen in wiederaufladbaren Batterien zu stabilisieren und dabei zu helfen, ihre metallische Struktur intakt zu halten. Die Entdeckung verhindert eine potenzielle Batterieverschlechterung und Kurzschlüsse und ebnet den Weg für Metallanodenbatterien mit höherer Energiedichte.

Bild von der Tohoku-Universität, „Dendritenfreie Alkalimetall-Elektroabscheidung aus dem Kontaktionenpaar-Zustand, induziert durch Mischen von Erdalkalikationen

Mit freundlicher Genehmigung von Tohoku-Universität

Wissenschaftler sind stets bestrebt, sicherere, leistungsfähigere und schneller aufladbare Batterien zu entwickeln, um unseren Energiebedarf nachhaltig zu decken. Metallanoden versprechen am meisten, dieses Ziel zu erreichen. Dennoch bringt die Verwendung von Alkalimetallen mehrere Probleme mit sich.

In einer wiederaufladbaren Batterie wandern Ionen beim Laden von der Kathode zur Anode und bei der Stromerzeugung in die entgegengesetzte Richtung. Wiederholtes Abscheiden und Auflösen von Metall verformt die Strukturen von Lithium und Natrium. Zusätzlich führen Schwankungen in Diffusion und elektrischen Feldern in den Elektrolyten nahe der Elektrodenoberfläche zur Bildung von nadelartigen Mikrostrukturen, den sogenannten Dendriten. Die Dendriten sind schwach gebunden und lösen sich von den Elektroden ab, was zu Kurzschlüssen und Abnahmen der Zykluskapazität führt.

Um dieses Problem zu lösen, fügte ein Forschungsteam unter der Leitung von Hongyi Li und Tetsu Ichitsubo vom Institut für Materialforschung der Universität Tohoku mehrwertige Kationen wie Calciumionen hinzu, die die Solvatationsstruktur von Lithium- oder Natriumionen im Elektrolyten veränderten und verstärkten.

„Unsere modifizierte Struktur moderiert die Reduktion von Lithium- oder Natriumionen auf der Elektrodenoberfläche und ermöglicht eine stabile Diffusion und ein stabiles elektrisches Feld“, sagte Dr. Li. Die stabilisierten Ionen wiederum bewahren die Struktur der galvanisch abgeschiedenen Metalle.

Details ihrer Forschung wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Zellberichte Physikalische Wissenschaft am 20. Mai 2022.

Für ihre nächsten Schritte hoffen Li und Ichitsubo, das Grenzflächendesign der Metallanoden zu verbessern, um die Lebensdauer und Leistungsdichte der Batterien weiter zu verbessern.

Angaben zur Veröffentlichung:
Titel: Dendritenfreie Alkalimetall-Elektroabscheidung aus dem Kontaktionenpaar-Zustand, induziert durch Mischen von Erdalkalikationen
Autoren: Hongyi Li, Masaki Murayama, Tetsu Ichitsubo
Zeitschrift: Cell Reports Physical Science
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.10090


 


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