Was ist der Kern der Leistungsverschlechterung bei Festkörperbatterien? Ein genauerer Blick auf das „Mikroskop der künstlichen Intelligenz“

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Chunyang (Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Festkörper-Lithiumbatterien gelten als Batterietechnologie der nächsten Generation, die aufgrund ihrer hohen Sicherheit und Energiedichte herkömmliche flüssige Lithium-Ionen-Batterien übertrifft. Bislang war jedoch die Instabilität der Schnittstelle zwischen dem positiven Elektrodenmaterial (dem Träger zur Speicherung der Lithiumionen) und dem Festelektrolyten (dem Transportmedium für Lithiumionen) ein Engpass, der die Leistung und Lebensdauer von Festkörperbatterien einschränkte.

Lithium-Ionen-Akku

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Kürzlich nutzte ein Forschungsteam des Institute of Metal Research der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der University of California, Irvine, mithilfe künstlicher Intelligenz (KI) unterstützter Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) die Technologie, um den strukturellen Degradationsmechanismus der Kathoden-/Elektrolyt-Grenzfläche auf atomarer Ebene aufzuklären und so das Geheimnis hinter der Leistungsverschlechterung von Festkörper-Lithiumbatterien zu lüften.

Was ist eine Festkörper-Lithiumbatterie?

Bei einer Festkörper-Lithiumbatterie handelt es sich um eine Batterietechnologie, bei der feste Elektrolyte anstelle der herkömmlichen flüssigen Elektrolyte verwendet werden. Aufgrund seiner höheren Sicherheit, höheren Energiedichte und seines größeren Betriebstemperaturbereichs gilt es derzeit als Forschungsschwerpunkt und wichtiger Durchbruch für die nächste Generation der Lithiumbatterietechnologie.

Das größte Problem bei Festkörper-Lithiumbatterien ist heute die elektrochemische Instabilität zwischen Elektroden und Elektrolyten, die den rapiden Leistungsabfall der Batterie verursacht. Diese Instabilität beeinträchtigt die Struktur der geschichteten Oxidmaterialien der positiven Elektrode und stellt das größte Hindernis für die stabile Leistung von Festkörper-Lithiumbatterien dar. Eine eingehende Untersuchung des durch Grenzflächeninstabilität in Festkörperbatterien verursachten Degradationsmechanismus der Materialstruktur dürfte wichtige theoretische Hinweise für die Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien liefern.

Wie betrachtet man die Struktur von Batteriematerialien?

Um fortschrittliche Materialien zu entwickeln, müssen wir zunächst ihre Struktur genau verstehen. Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Beobachtung der inneren Struktur von Materialien. Es kann Materialien auf atomarer Ebene mit einer Auflösung von bis zu 0,05 Nanometern beobachten, was einem Millionstel des Durchmessers eines Haares entspricht! In der materialwissenschaftlichen Forschung ist TEM heute eine der weltweit wichtigsten Methoden zur Materialcharakterisierung. Das Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shenyang ist eine der ersten Institutionen in meinem Land, die Elektronenmikroskopieforschung betreibt (der Begründer dieser Richtung ist Herr Guo Kexin, ein berühmter Elektronenmikroskopiker und Kristallograph in meinem Land). Als Wiege der Talentausbildung im Bereich der Elektronenmikroskopie in meinem Land besitzt das Institute of Metal Research mehr als zehn Transmissionselektronenmikroskope verschiedener Typen (im Wert von Hunderten Millionen Yuan). Es verfügt über eine fundierte Grundlage und ein starkes wissenschaftliches Forschungsteam in der elektronenmikroskopischen Materialforschung.

Schematische Darstellung des Grundaufbaus eines Transmissionselektronenmikroskops

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Transmissionselektronenmikroskop des Instituts für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Welche Rolle spielt KI?

Die strukturelle Komplexität von Batteriematerialien und ihre Unfähigkeit, der Bestrahlung mit Elektronenstrahlen standzuhalten, stellen Materialwissenschaftler vor große Herausforderungen bei der Erforschung ihrer Phasenänderungen und strukturellen Entwicklung auf atomarer Ebene. Das Forschungsteam gab jedoch nicht auf. Sie nutzten die Vorteile künstlicher Intelligenz bei der Bildverarbeitung und -analyse, setzten auf kreative Weise Convolutional Neural Networks ein und entwickelten neue Methoden zur Atomerkennung, -segmentierung und hochpräzisen Positionierung. So gelang ihnen eine hochpräzise Abbildung und Analyse der Kristallstruktur, Defekte und komplexen Phasengrenzflächen von geschichteten Oxidmaterialien für positive Elektroden auf atomarer Ebene.

Konzeptbild: KI-Transmissionselektronenmikroskopie enthüllt die atomare Struktur von Kathodenmaterialien

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Mithilfe der KI-gestützten TEM-Technologie gelang es dem Forschungsteam, den strukturellen Degradationsmechanismus auf atomarer Ebene von Schichtoxid-Positivelektrodenmaterialien für Festkörper-Lithiumbatterien aufzudecken. Sie fanden heraus, dass es drei Hauptursachen für die Leistungsminderung von geschichteten Oxidmaterialien für positive Elektroden in Festkörperbatterien gibt.

Der erste ist der Verlust von Sauerstoff im Gitter, d. h., das Material der positiven Elektrode verliert während der elektrochemischen Reaktion seinen Hauptbestandteil Sauerstoff, wodurch das Strukturgerüst des Materials zerstört wird. Die zweite ist die „Gitterfragmentierung“, d. h. die Kristallstruktur auf der Oberfläche des Materials wird unter der Einwirkung von Spannung aufgebrochen, was zu einer erheblichen Verringerung der Fähigkeit des Materials führt, Lithiumionen zu transportieren. Das dritte Phänomen ist der Gitterscherphasenübergang. Dabei handelt es sich um ein Phänomen der Neuanordnung der inneren Struktur des Materials, das durch den Delithiierungsprozess verursacht wird (d. h., beim Laden der Batterie werden Lithiumionen aus dem Material der positiven Elektrode entfernt), wodurch sich das Material von der ursprünglichen Kristallstruktur in eine andere, schädliche Kristallstruktur verwandelt.

Feine atomare Konfigurationsanalyse der Scherphasengrenzflächenstruktur in geschichteten Oxidkathoden

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Oberflächen-„Gitterfragmentierung“ von Schichtoxiden durch elektrochemische Grenzflächenreaktionen

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Dieses Forschungsergebnis enthüllt den strukturellen Degradationsmechanismus von Schichtoxid-Positivelektrodenmaterialien in Festkörper-Lithiumbatterien, erweitert die Theorie der Phasenänderungsdegradation von Schichtoxid-Positivelektroden und bietet wichtige theoretische Hinweise für die optimale Gestaltung von Positivelektrodenmaterialien und Positivelektroden-/Elektrolyt-Grenzflächen für Festkörperbatterien. Darüber hinaus bietet es eine neue Perspektive zum Verständnis des Grenzflächenverhaltens in Festkörperbatterien und weist die Richtung für die Entwicklung leistungsstarker Festkörper-Lithiumbatterien. Gleichzeitig unterstreicht diese Forschung auch die wichtige Rolle der fortschrittlichen Charakterisierungstechnologie der Elektronenmikroskopie bei der Lösung zentraler wissenschaftlicher Probleme im Energiebereich.

Wang Chunyang und sein „Partner“ Transmissionselektronenmikroskop

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Abschluss

Mithilfe künstlicher Intelligenz unterstützter TEM-Technologie gelang es dem Team, den Ausfallmechanismus von Festkörper-Positivelektrodenmaterialien für Lithiumbatterien auf atomarer Ebene aufzudecken. Diese neuen Erkenntnisse liefern eine wissenschaftliche Grundlage und wichtige theoretische Leitlinien für die Optimierung des Designs bestehender Materialien.

Auch in Zukunft wird das Team Grundlagenforschung zu zentralen wissenschaftlichen Fragen im Zusammenhang mit der Struktur-Leistungs-Beziehung von Festkörper-Lithiumbatteriematerialien betreiben. Sie werden die Expertise des Teams in der Elektronenmikroskopieforschung und der Materialwissenschaftsforschung nutzen und kontinuierlich bestehende technologische Engpässe durchbrechen, indem sie „neues Wissen entdecken, neue Methoden entwickeln und neue Materialien schaffen“ und so zum optimierten Design von Festkörperbatterien und zur Entwicklung neuer Materialien beitragen.