Diese Entdeckung könnte Ihr Telefon langlebiger machen!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Xie Congxin und Li Xueyang (Dalian Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wenn Sie fragen, was Fernbedienungen und Elektroautos gemeinsam haben, ist es wahrscheinlich, dass beide Batterien verwenden. Batterien, ein Gerät, auf das wir im Alltag nicht verzichten können, haben in diesem Zeitalter, das nach neuer Energie verlangt, die verschiedensten Farben angenommen. Die bekannteste davon ist die Lithium-Ionen-Batterie.

Andere erzeugen Strom mit Liebe, wir erzeugen Strom mit Metall

Bevor wir über Lithiumbatterien sprechen, wollen wir uns noch einmal ansehen, was Batterien sind.

Eine Batterie ist ein Gerät, das durch chemische Reaktionen elektrische Energie erzeugt. Als Sekundärbatterien werden üblicherweise Batterien bezeichnet, die sowohl geladen als auch entladen werden können, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien. und Batterien, die nur entladen werden können, werden als Primärbatterien bezeichnet, beispielsweise Trockenbatterien.

Ende des 18. Jahrhunderts tauchte der italienische Wissenschaftler Volta Zink- und Silberbleche in Salzwasser und entdeckte, dass zwischen den beiden Metallen elektrischer Strom erzeugt werden konnte. Also stapelte er Silber- und Zinkplatten mit in Salzwasser getränktem Samtstoff und schuf so die erste Primärbatterie – die Voltasche Zelle.

Eine typische Batteriestruktur umfasst hauptsächlich Schlüsselkomponenten wie positive Elektrode, negative Elektrode, Elektrolyt und Separator (Abbildung 1). Beispielsweise sind das Silberblech und das Zinkblech in der Voltazelle die positiven und negativen Elektroden der Batterie, das Salzwasser ist der Elektrolyt und der Flanell ist der Separator der Batterie, der einen Kurzschluss zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie verhindert. Während des Entladevorgangs einer Voltazelle verbraucht die positive Elektrode den Elektrolyten, um Wasserstoff zu erzeugen, und die negative Elektrode löst metallisches Zink auf, um Zinkionen zu erzeugen.

Abbildung 1. Typische Batteriestruktur

(Bildquelle: Referenz [1])

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass elektrischer Strom nicht nur zwischen metallischem Silber und Zink, sondern auch zwischen anderen Metallen erzeugt werden kann. Die Stärke des erzeugten Stroms hängt dabei mit der „Energiedifferenz“ zwischen den Metallen zusammen. Dieser „Energieunterschied“ zwischen den verschiedenen Metallen wird üblicherweise als Potenzialunterschied bezeichnet, und der Potenzialunterschied zwischen der positiven und der negativen Elektrode stellt die Batteriespannung dar. Je größer der Potenzialunterschied zwischen der positiven und der negativen Elektrode ist, desto höher ist die Spannung der Batterie.

Abbildung 2. (a) Voltasche Zelle (links) und ihr schematisches Diagramm (rechts); (b) Verschiedene im Leben gängige Batterien; (c) Überblick über die Entwicklungsgeschichte gängiger chemischer Batterien.

(Bildquellen: (a) von Wikipedia; (b) von Veer Gallery; (c) vom Zheshang Securities Research Institute)

Warum Lithium?

Lithium-Ionen-Batterien sind in unserem Leben allgegenwärtig. Es gibt so viele Metalle, warum also Lithium wählen?

Hier müssen wir ein Konzept namens „Energiedichte“ erwähnen, also die Energie, die pro Masse-/Volumeneinheit der Batterie freigesetzt werden kann. Unter den vielen Metallelementen hat Lithium die geringste Atommasse. Lithium ist das dritte Element im Periodensystem und hat eine Atommasse von nur 7, was bedeutet, dass metallisches Lithium unter Metallen gleicher Masse die höchste Energie freisetzen kann. Daher wurde an der Erforschung von Lithiumbatterien gearbeitet.

Abbildung 3. (a) und (b): Gängige Lithium-Ionen-Batterie LiCoO2 vom Typ 18650; (c) Die Entwicklungsgeschichte von Lithium-Ionen-Batterien.

(Bildquellen: (a) und (b) stammen aus Referenz [2]; (c) stammt aus der Veer-Galerie)

Die erste von Wissenschaftlern entwickelte Batterie war die Lithium-Primärbatterie, die metallisches Lithium als negative Elektrode verwendete. Ähnlich wie bei der negativen Zinkelektrode der oben erwähnten Voltabatterie werden beim Entladevorgang der negativen Elektrode aus metallischem Lithium Lithiumionen erzeugt, die in den Elektrolyten gelangen. Der Ladevorgang ist umgekehrt und die Lithiumionen im Elektrolyten lagern sich auf der Elektrode ab und bilden metallisches Lithium. Da das beim Ladevorgang abgeschiedene „Lithium“ ungleichmäßig ist und seine Form an die von Ästen erinnert, wird es im Fachjargon auch „Dendriten“ genannt. Es kann leicht den Separator durchstoßen und einen Kurzschluss und Brand der Batterie verursachen. Obwohl Lithium-Metall-Batterien eine hohe Energiedichte aufweisen, sind sie daher schwierig zu laden und zu entladen.

Abbildung 4. Dendritenmorphologie der Lithiummetallanode

(Bildquelle: aus Referenz [3])

Heutzutage verwenden gängige Lithiumbatterien im Allgemeinen Graphitmaterialien als negative Elektroden. Während des Ladevorgangs gibt das lithiumhaltige Material der positiven Elektrode (Lithiumeisenphosphat, Lithiumkobaltoxid und Lithiummanganoxid der positiven Elektrode usw.) Lithiumionen frei und passiert den Separator, um sich in das Gitter des Graphits der negativen Elektrode einzubetten. Der Entladevorgang ist umgekehrt: Die Lithiumionen lösen sich von der negativen Graphitelektrode und kehren zum Material der positiven Elektrode zurück. Daher werden die in unserem Leben üblicherweise verwendeten Lithiumbatterien auch Lithium-Ionen-Batterien genannt. Durch die Verwendung negativer Graphitelektroden wurde die Sicherheit von Batterien erheblich verbessert. Heutzutage werden Lithium-Ionen-Batterien häufig in Mobiltelefonen, Computern, Elektrofahrzeugen und anderen Bereichen verwendet.

Der Nobelpreis für Chemie 2019 wurde drei Wissenschaftlern verliehen: dem amerikanischen Wissenschaftler John B. Goodenough, dem britischen Wissenschaftler Stanley Whittingham und dem japanischen Wissenschaftler Akira Yoshino, in Anerkennung ihrer herausragenden Beiträge zu Lithium-Ionen-Batterien.

Abbildung 5. Drei Wissenschaftler, die 2019 für ihre großen Beiträge auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien den Nobelpreis für Chemie erhielten.

(Bildquelle: Graphic News)

Allerdings ist die Energie, die Graphit als negative Batterieelektrode freisetzen kann, im Vergleich zu metallischem Lithium begrenzt, was die Energiedichte der Batterie einschränkt. Daher müssen wissenschaftliche Forscher die negative Elektrode aus Lithiummetall erneut untersuchen und versuchen, die Energiedichte der Batterie durch die Verwendung negativer Elektroden aus Lithiummetall weiter zu verbessern.

Wie werden „Lithium-Dendriten“ hergestellt?

Bei Lithium-Metall-Batterien kommt es während des Lade- und Entladevorgangs an der negativen Lithiumelektrode zu einer Ablagerungs-/Auflösungsreaktion. Da die Metallelektrode selbst während des Abscheidungsprozesses nicht absolut flach sein kann, sammeln sich an den hervorstehenden Teilen mehr negative Ladungen an, wodurch sich bevorzugt das metallische Lithium ablagert. Je mehr Lithium abgelagert wird, desto höher ist der Vorsprung (Abbildung 6a), desto mehr Ladung sammelt sich an und desto mehr Lithiumionen kommen damit in Kontakt. All dies führt dazu, dass der ursprünglich kleine Vorsprung immer höher wächst, ähnlich dem positiven Rückkopplungsprozess in der Biologie. Wenn ein bestimmter Pegel erreicht wird, durchstößt es den Separator und verursacht einen Kurzschluss der Batterie.

Abbildung 6. (a) Dendriten der Lithium-Metallanode und (b) Bildungsprozess der SEI-Schicht

(Bildquelle: (a) aus Referenz [4]; (b) aus Referenz [5])

Obwohl Lithiummetall nicht so aktiv ist wie seine Hauptgruppenmetalle Natrium und Kalium, verdient es dennoch die Bezeichnung „aktives Metall“. Bei Kontakt mit dem Elektrolyten reagiert Lithiummetall mit dem Elektrolyten und bildet auf der Oberfläche eine Grenzflächenschicht, die als SEI-Schicht bezeichnet wird (Abbildung 6b).

Ähnlich wie bei der in unserem Leben üblichen Metallkorrosion kann diese Grenzflächenschicht, wenn sie so dicht und stabil wie Aluminiumoxid ist, das Lithiummetall und den Elektrolyten isolieren und die Lithiummetallbatterie gut schützen. Wenn SEI jedoch so locker wie Rost ist, bleibt der Elektrolyt immer in Kontakt mit Lithium und reagiert ständig, bis es vollständig korrodiert ist.

Daher ist SEI auch eine wichtige Forschungsrichtung für Lithium-Metall-Batterien. Darüber hinaus verändert sich während des Prozesses der Lithiumabscheidung und -auflösung ständig das Volumen der Batterie. Im Vergleich zur Graphit-Interkalationsreaktion ist die Volumenänderung bei der Lithiumabscheidung/-auflösung signifikanter, was die Anforderungen an die gleichmäßige Lithiumabscheidung und die Leistung des SEI-Films weiter erhöht.

Es gibt eine neue Methode, um das Problem der Lithium-Metall-Anode mit einem Klick zu lösen

Die drei Hauptprobleme Dendriten, Korrosion und Volumenänderung sind letztlich Probleme an der Schnittstelle zwischen Elektroden und Elektrolyten. Die Lösung der Forscher besteht daher darin, an dieser Schnittstelle anzusetzen.

Ihnen kamen zwei Methoden in den Sinn: Sie könnten Elektrodenmaterialien und Strukturdesign verwenden, um die Ladungsverteilung gleichmäßiger zu gestalten und so das Wachstum von Lithiumdendriten zu hemmen; Sie könnten auch die Elektrolytzusammensetzung optimieren und die Reaktion zwischen dem Elektrolyten und metallischem Lithium nutzen, um einen stabilen SEI-Film zu bilden.

Kürzlich wurde in einem in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel über eine Lithiumabscheidungstechnologie zur Verhinderung der Korrosion von Lithiummetall berichtet. Die Forscher verhinderten die Bildung der SEI-Schicht, indem sie Lithium schnell bei hoher Stromdichte abschieden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Lithiumatome ohne SEI-Bildung geordnet zu rhombischen Dodekaedern anordnen und keine offensichtliche Dendritenbildung stattfindet. Dies widerlegt die allgemeine Auffassung, dass eine hohe Stromdichte die Bildung von Lithiumdendriten verschlimmert.

Abbildung 7. Lithiumatome sind geordnet angeordnet und bilden ein rhombisches Dodekaeder

(Bildquelle: Referenz [6])

Die Forschungsergebnisse bedeuten, dass das Lithium-Dendriten-Problem vollständig überwunden werden kann. Beispielsweise wird durch die Regulierung der Elektrolytzusammensetzung eine Korrosion der negativen Lithiumelektrode durch den Elektrolyten vermieden und dadurch die Bildung von SEI verhindert. Dadurch werden Lithiumionen gleichmäßig abgeschieden, was die Anwendung negativer Lithiummetallelektroden erheblich fördert und die Energiedichte von Batterien verbessert.

Abschluss

Mit der iterativen Weiterentwicklung der Technologie wird die Energiedichte von Lithiumbatterien weiter zunehmen, was zu einer breiteren Verwendung von Lithiumbatterien in Elektrofahrzeugen, Drohnen und anderen Bereichen führen wird. Neben Lithiumbatterien machen auch viele andere Batterietechnologien rasante Fortschritte, wie etwa Brennstoffzellen, Batterien auf Zinkbasis usw. Die Entwicklung der Batterietechnologie wird zudem die großflächige Nutzung neuer Energien erheblich fördern und eine technische Grundlage für das Erreichen der strategischen Ziele „Kohlenstoffneutralität“ und „Carbon Peak“ schaffen.

Verweise

1.Ghiji, M., et al., Eine Übersicht über die Brandbekämpfung bei Lithium-Ionen-Batterien. Energien, 2020. 13(19): p. 5117.

2.Chen, M., et al., Studie zur Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien bei unterschiedlichen Drücken. Angewandte Wärmetechnik, 2017. 125: S. 1061-1074.

3. Whittingham, MS, Anorganische Nanomaterialien für Batterien. Dalton Transactions, 2008(40): S. 5424-5431.

4.Yang, C., et al., Geschützte Lithium-Metall-Anoden in Batterien: Von flüssig zu fest. Advanced Materials, 2017. 29(36): p. 1701169.

5. Spotte-Smith, EWC, et al., Auf dem Weg zu einem mechanistischen Modell der Bildung und Entwicklung der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase in Lithium-Ionen-Batterien. ACS Energy Letters, 2022. 7(4): p. 1446-1453.

6. Yuan, X., et al., Ultraschnelle Abscheidung facettierter Lithiumpolyeder durch Übertreffen der SEI-Bildung. Nature, 2023. 620(7972): S. 86-91.