Die Welt der Batterietechnologie steht vor einem potenziellen Umbruch. Forscher der Universität von Missouri haben einen entscheidenden Fortschritt bei der Entwicklung von Festkörperbatterien erzielt. Eine Batterie-Technologie, die das Potenzial hat, unsere Energieversorgung grundlegend zu verändern. Unter der Leitung von Assistenzprofessor Matthias Young haben die Wissenschaftler einen Weg gefunden, die Leistung und Sicherheit dieser Batterien erheblich zu verbessern.
Das Problem der Grenzflächenschicht
Traditionelle Lithium-Ionen-Batterien, die in vielen elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen verwendet werden, basieren auf flüssigen Elektrolyten. Diese sind jedoch anfällig für Brände, insbesondere bei Beschädigung oder Überhitzung. Festkörperbatterien, die feste Elektrolyte verwenden, gelten als sicherer und energieeffizienter. Ein zentrales Problem bei ihrer Entwicklung war jedoch die Bildung einer Grenzflächenschicht zwischen dem festen Elektrolyten und der Kathode. Diese Schicht, obwohl nur etwa 100 Nanometer dick, behindert den Fluss von Lithiumionen und Elektronen, was die Batterieleistung erheblich reduziert.
Ein innovativer Ansatz zur Lösung
Youngs Team hat dieses Problem durch den Einsatz fortschrittlicher Bildgebungstechniken angegangen. Mithilfe der vierdimensionalen Rastertransmissionselektronenmikroskopie (4D-STEM) konnten sie die atomare Struktur der Batterie untersuchen, ohne sie zu zerlegen. Dieser revolutionäre Ansatz ermöglichte es ihnen, die chemischen Reaktionen im Inneren der Batterie genau zu analysieren und die Rolle der Grenzflächenschicht zu verstehen.
Matthias Young betont zudem:
„Wenn der feste Elektrolyt die Kathode berührt, reagiert er und bildet eine Grenzflächenschicht, die etwa 100 Nanometer dick ist – 1.000 Mal dünner als die Breite eines einzelnen menschlichen Haares. Diese Schicht blockiert die Lithiumionen und Elektronen daran, sich leicht zu bewegen, erhöht den Widerstand und beeinträchtigt die Batterieleistung.“
Die Lösung: Ultradünne Schutzschichten
Aufbauend auf diesem Verständnis entwickelten die Forscher einen Ansatz, um die Bildung der Grenzflächenschicht zu verhindern. Youngs Labor ist auf die Herstellung von ultradünnen Filmen durch oxidative Molekularschichtabscheidung (oMLD) spezialisiert. Diese Filme sollen als Schutzschichten dienen, die die Reaktion zwischen dem festen Elektrolyten und der Kathode verhindern. Die Herausforderung besteht darin, die Schichten dünn genug zu halten, um den Ionenfluss nicht zu behindern, aber dick genug, um die Reaktionen zu blockieren.
Ein Schritt in Richtung kommerzieller Anwendung
Die Ergebnisse dieser Forschung, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials, sind ein bedeutender Fortschritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung von Feststoffbatterien. Die Fähigkeit, die Grenzflächenschicht zu kontrollieren, könnte den Weg für sicherere, leistungsfähigere und langlebigere Batterien ebnen. Ferner hätte dies weitreichende Auswirkungen auf verschiedene Branchen, von der Elektromobilität bis zur tragbaren Elektronik.
Die Arbeit von Young und seinem Team zeigt, wie z.B. grundlegende wissenschaftliche Forschung und innovative technologische Ansätze zusammenwirken können, um reale Probleme zu lösen. Mit weiteren Fortschritten in diesem Bereich könnten Festkörperbatterien bald zu einem integralenBestandteil unserer Energieversorgung werden.
Quellen / Weiterlesen
Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM | Wiley Advanced
Researchers are cracking the code on solid-state batteries | Chem Europe
Bildquelle: © University of Missouri