Risse in Lithium

Aug 22, 2023

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Risse in der positiven Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien sind nicht nur schädlich, sondern verkürzen die Ladezeit der Batterie, wie Untersuchungen der University of Michigan zeigen.

Dies widerspricht der Ansicht vieler Hersteller von Elektrofahrzeugen, die versuchen, Risse zu minimieren, weil sie die Lebensdauer der Batterie verkürzen.

„Viele Unternehmen sind daran interessiert, „Millionenmeilen“-Batterien aus Partikeln herzustellen, die nicht reißen. Wenn die Risse entfernt werden, können sich die Batteriepartikel leider ohne die zusätzliche Oberfläche dieser Risse nicht schnell aufladen“, sagte Yiyang Li, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik und korrespondierender Autor der in Energy and veröffentlichten Studie Umweltwissenschaften.

„Auf einer Autofahrt wollen wir nicht fünf Stunden warten, bis ein Auto aufgeladen ist. Wir wollen innerhalb von 15 oder 30 Minuten aufladen.“

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Das Team geht davon aus, dass die Ergebnisse auf mehr als die Hälfte aller Elektrofahrzeugbatterien zutreffen, bei denen die positive Elektrode – oder Kathode – aus Billionen mikroskopisch kleiner Partikel besteht, die entweder aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid bestehen. Theoretisch hängt die Geschwindigkeit, mit der sich die Kathodenladungen aufladen, vom Oberflächen-Volumen-Verhältnis der Partikel ab. Kleinere Partikel sollten sich schneller aufladen als größere Partikel, da sie im Verhältnis zum Volumen eine größere Oberfläche haben, sodass die Lithiumionen kürzere Distanzen haben, um durch sie zu diffundieren.

Allerdings konnten herkömmliche Methoden die Ladeeigenschaften einzelner Kathodenpartikel nicht direkt messen, sondern nur den Durchschnitt aller Partikel, aus denen die Kathode der Batterie besteht. Diese Einschränkung bedeutet, dass der weithin akzeptierte Zusammenhang zwischen Ladegeschwindigkeit und Kathodenpartikelgröße lediglich eine Annahme war.

„Wir stellen fest, dass die Kathodenpartikel Risse aufweisen und über aktivere Oberflächen zur Aufnahme von Lithiumionen verfügen – nicht nur an ihrer Außenfläche, sondern auch innerhalb der Partikelrisse“, sagte Jinhong Min, ein Doktorand der Materialwissenschaften und -technik, der in Lis Labor arbeitet . „Batteriewissenschaftler wissen, dass es zu Rissen kommt, haben aber nicht gemessen, wie sich solche Risse auf die Ladegeschwindigkeit auswirken.“

Die Messung der Ladegeschwindigkeit einzelner Kathodenpartikel war der Schlüssel zur Entdeckung des Vorteils des Crackens von Kathoden. Dies gelang Li und Min, indem sie die Partikel in ein Gerät einführten, das normalerweise von Neurowissenschaftlern verwendet wird, um zu untersuchen, wie einzelne Gehirnzellen elektrische Signale übertragen.

„Als ich noch an der Graduiertenschule war, zeigte mir ein Kollege, der Neurowissenschaften studierte, diese Arrays, mit denen er einzelne Neuronen untersuchte. Ich habe mich gefragt, ob wir sie auch zur Untersuchung von Batteriepartikeln verwenden können, die in ihrer Größe Neuronen ähneln“, sagte Li.

Bei jedem Array handelt es sich um einen maßgeschneiderten, 2 x 2 Zentimeter großen Chip mit bis zu 100 Mikroelektroden. Nachdem er einige Kathodenpartikel in der Mitte des Chips verstreut hatte, bewegte Min einzelne Partikel mit einer Nadel, die etwa 70-mal dünner als ein menschliches Haar war, auf ihre eigenen Elektroden auf dem Array. Sobald die Partikel an Ort und Stelle waren, konnte Min gleichzeitig bis zu vier einzelne Partikel gleichzeitig auf dem Array laden und entladen und maß in dieser speziellen Studie 21 Partikel.

Das Experiment ergab, dass die Ladegeschwindigkeit der Kathodenpartikel nicht von ihrer Größe abhängt. Li und Min glauben, dass die wahrscheinlichste Erklärung für dieses unerwartete Verhalten darin besteht, dass sich größere Partikel tatsächlich wie eine Ansammlung kleinerer Partikel verhalten, wenn sie platzen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass sich die Lithiumionen sehr schnell in den Korngrenzen bewegen – den winzigen Zwischenräumen zwischen den Nanokristallen, aus denen das Kathodenpartikel besteht. Li hält dies für unwahrscheinlich, es sei denn, der Elektrolyt der Batterie – das flüssige Medium, in dem sich die Lithiumionen bewegen – durchdringt diese Grenzen und bildet Risse.

Bei der Entwicklung langlebiger Batterien mit einkristallinen Partikeln, die nicht reißen, müssen die Vorteile von rissigen Materialien berücksichtigt werden. Um eine schnelle Aufladung zu ermöglichen, müssen diese Partikel möglicherweise kleiner sein als die heutigen Crack-Kathodenpartikel. Die Alternative bestehe darin, einkristalline Kathoden aus unterschiedlichen Materialien herzustellen, die Lithium schneller transportieren können, aber diese Materialien könnten durch die Versorgung mit notwendigen Metallen begrenzt sein oder eine geringere Energiedichte aufweisen, sagte Li.

Referenz: Min J, Gubow LM, Hargrave RJ, Siegel JB, Li Y. Direkte Messungen der größenunabhängigen Lithiumdiffusion und Reaktionszeiten in einzelnen polykristallinen Batteriepartikeln. Energie-Umwelt-Sci. 2023:10.1039.D3EE00953J. doi: 10.1039/D3EE00953J

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