Kann Silber Festkörperbatterien widerstandsfähiger machen?

Warum Festkörperbatterien immer noch versagen

Lithium-Ionen-Batterien haben seit Jahrzehnten Verbraucherelektronik und Elektrofahrzeuge (EVs) vorangetrieben, aber höhere Energiedichten werden allgemein als notwendig angesehen, um den Transport weiter zu elektrifizieren und die Speicherung im Netz zu unterstützen. Ein führender Kandidat ist die Festkörperbatterie, die den herkömmlichen flüssigen Elektrolyten durch eine feste Schicht – oft ein Keramikmaterial – zwischen Kathode und Anode ersetzt.

Trotzdem stehen viele lithiumbasierte Konstruktionen immer noch vor Ausfallmodi, die mit dem Verhalten von Lithiummetall zusammenhängen. Ein bekanntes Risiko ist die Bildung von Dendriten, bei der nadelförmige Lithiumstrukturen wachsen und interne Kurzschlüsse und thermische Ereignisse auslösen können.

Ein separates (und kommerziell kritisch wichtiges) Problem für viele keramische Festelektrolyte ist die mechanische Sprödigkeit. In realen Batteriestapeln können kleine Defekte zu Mikrorissen werden. Bei wiederholtem Zyklus, insbesondere bei schnellem Laden, können diese Risse sich verbreitern, die Leistung verschlechtern und den Ausfall beschleiten.

Dies könnte sich jedoch ändern, dank einer Studie in Nature Materials von einem großen multidisziplinären Team (24 genannte Autoren). Die Forscher berichten, dass ein ultradünner, silberionenbasierter Oberflächen-Doping-Ansatz die Initiierung von Rissen unterdrücken und die Rissausbreitung an der Oberfläche eines spröden keramischen Elektrolyten reduzieren kann – was möglicherweise die Haltbarkeit in zukünftigen Festkörperdesigns verbessern kann.

Die Arbeit wurde in Nature Materials unter dem Titel veröffentlicht: Heterogeneous doping via nanoscale coating impacts the mechanics of Li intrusion in brittle solid electrolytes.

LLZO-Grenzen

Die Forscher konzentrierten sich auf einen beliebten keramischen Elektrolyten, der in vielen Festkörperkonzepten verwendet wird: LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid). LLZO ist aufgrund seiner ionischen Leitfähigkeit und chemischen Eigenschaften attraktiv, aber es ist auch spröde und in der Praxis extrem schwierig, es im großen Maßstab mit null mikroskopischen Defekten herzustellen.

„Eine realistische Festkörperbatterie besteht aus Schichten von gestapelten Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Blättern. Die Herstellung dieser ohne auch die kleinsten Unvollkommenheiten wäre fast unmöglich und sehr teuer.“
Wendy Gu – Associate Professor an der Stanford University

Während des Ladevorgangs (und insbesondere beim schnellen Laden) kann Lithium in Risse und Defekte eindringen und sie im Laufe der Zeit verschlimmern. Wenn das Rissnetzwerk wächst, kann die mechanische Integrität und die elektrochemische Leistung des Elektrolyten verschlechtern und letztendlich zum Ausfall führen.

Da die Beseitigung aller Defekte in massenproduzierten Keramiken unrealistisch ist, ist ein skalierbarerer Weg, die Oberfläche so zu gestalten, dass Defekte weniger wahrscheinlich sind, und bestehende Risse weniger wahrscheinlich unter Zyklusstress ausbrechen.

Die richtige Form von Silber finden

Silber wurde im Festkörperkontext aufgrund seiner Leitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften erforscht, aber frühere Ansätze verwendeten oft metallische Silberschichten, die die notwendigen Haltbarkeitsverbesserungen für anspruchsvolle Anwendungen nicht zuverlässig lieferten.