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Auf der Suche nach der perfekten Batterie verfolgen die Wissenschaftler vor allem zwei Ziele: ein Gerät zu entwickeln, das viel Energie speichern kann, und dies auf sichere Weise. Viele Batterien enthalten flüssige Elektrolyte, die potenziell entflammbar sind. Daher sind Lithium-Ionen-Festkörperbatterien, die ausschliesslich aus festen Komponenten bestehen, für Wissenschaftler immer attraktiver geworden, da sie eine verlockende Kombination aus höherer Sicherheit und grösserer Energiedichte bieten - das heisst, wie viel Energie die Batterie bei einem bestimmten Volumen speichern kann.
Forscher der Universität Waterloo, Kanada, die Mitglieder des Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) mit Sitz im Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) sind, haben einen neuen festen Elektrolyten entdeckt, der mehrere wichtige Vorteile bietet.
Dieser Elektrolyt, der aus Lithium, Scandium, Indium und Chlor besteht, leitet Lithium-Ionen gut, aber Elektronen schlecht. Diese Kombination ist eine wesentliche Voraussetzung für die Schaffung einer Festkörperbatterie, die ohne nennenswerten Kapazitätsverlust über hundert Zyklen bei hoher Spannung (über 4 Volt) und Tausende von Zyklen bei mittlerer Spannung funktioniert. Der Chloridcharakter des Elektrolyten ist der Schlüssel zu seiner Stabilität bei Betriebsbedingungen über 4 Volt - das heisst, er eignet sich für typische Kathodenmaterialien, die die Hauptstütze der heutigen Lithium-Ionen-Zellen bilden.
"Der Hauptvorteil eines Festkörperelektrolyten besteht darin, dass er sich nicht entzünden kann und eine effiziente Platzierung in der Batteriezelle ermöglicht. Wir freuen uns, dass wir einen stabilen Betrieb bei hohen Spannungen nachweisen konnten", so Linda Nazar, Distinguished Research Professor of Chemistry an der UWaterloo und langjähriges Mitglied des JCESR.
Derzeitige Versionen von Festkörperelektrolyten konzentrieren sich stark auf Sulfide, die oberhalb von 2,5 Volt oxidieren und zerfallen. Sie erfordern daher eine isolierende Beschichtung des Kathodenmaterials, die oberhalb von 4 Volt wirkt, was die Fähigkeit der Elektronen und Lithiumionen beeinträchtigt, aus dem Elektrolyten in die Kathode zu gelangen.
"Bei Sulfidelektrolyten steht man vor einer Art Rätsel - man möchte den Elektrolyten elektronisch von der Kathode isolieren, damit er nicht oxidiert, aber man benötigt trotzdem elektronische Leitfähigkeit im Kathodenmaterial", so Nazar.
Nazars Gruppe war zwar nicht die erste, die einen Chloridelektrolyten entwickelt hat, aber die Entscheidung, die Hälfte des Indiums durch Scandium zu ersetzen, erwies sich aufgrund ihrer früheren Arbeit als vorteilhaft im Hinblick auf eine geringere elektronische und höhere ionische Leitfähigkeit. Chloridelektrolyte werden immer attraktiver, weil sie nur bei hohen Spannungen oxidieren und einige von ihnen chemisch mit den besten Kathoden, die wir haben, kompatibel sind", so Nazar. "In letzter Zeit wurde über einige von ihnen berichtet, aber wir haben einen mit deutlichen Vorteilen entwickelt."
Ein chemischer Schlüssel zur Ionenleitfähigkeit lag in der sich kreuzenden 3D-Struktur des Materials, einem Spinell. Die Forscher mussten zwei konkurrierende Wünsche miteinander in Einklang bringen - den Spinell mit so vielen ladungstragenden Ionen wie möglich zu beladen, aber auch Plätze offen zu lassen, durch die sich die Ionen bewegen können. Man kann sich das so vorstellen, als würde man versuchen, einen Tanz zu veranstalten - man will, dass die Leute kommen, aber man will nicht, dass es zu voll wird", sagte Nazar.
Nazar zufolge wäre es ideal, wenn die Hälfte der Plätze in der Spinellstruktur mit Lithium besetzt wäre, während die andere Hälfte offen bliebe, aber sie erklärte, dass es schwierig sei, eine solche Situation zu schaffen.
Zusätzlich zur guten Ionenleitfähigkeit des Lithiums mussten Nazar und ihre Kollegen sicherstellen, dass sich die Elektronen nicht einfach durch den Elektrolyten bewegen können, um dessen Zersetzung bei hoher Spannung auszulösen. Stellen Sie sich eine Partie Himmel und Hölle vor", sagte sie. Selbst wenn man nur versucht, vom ersten zum zweiten Quadrat zu hüpfen, ist es ein weiterer Vorteil dieses Festelektrolyten, wenn man eine Wand schaffen kann, die es den Elektronen in unserem Fall erschwert, darüber zu springen."
Nazar sagte, es sei noch nicht klar, warum die elektronische Leitfähigkeit niedriger sei als bei vielen zuvor berichteten Chloridelektrolyten, aber es trage dazu bei, eine saubere Grenzfläche zwischen dem Kathodenmaterial und dem Festelektrolyten zu schaffen, eine Tatsache, die weitgehend für die stabile Leistung selbst bei hohen Mengen an aktivem Material in der Kathode verantwortlich sei.
Originalveröffentlichung
Zhou, L., Zuo, TT., Kwok, C.Y. et al.; "High areal capacity, long cycle life 4 V ceramic all-solid-state Li-ion batteries enabled by chloride solid electrolytes"; Nat Energy; 7, 83–93 (2022).