Die transformative Batteriestruktur übertrifft die Schnellladeziele für Li-Zyklus

Jun 29, 2023

4. August 2023

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von der University of Maryland

Aktuelle Akkus sind durch ihre erforderliche Ladezeit und erreichbare Reichweite begrenzt. Das US-Energieministerium (DOE) hat ein Schnellladeziel von 10 Minuten entwickelt, um die Batterie eines Elektrofahrzeugs (EV) aufzuladen.

Allerdings kann es bei Li-Ionen-Akkus mit schnellem Ladestrom zu einer Li-Metallisierung der Kohlenstoffanode und möglicherweise zur Bildung katastrophaler Lithium-Dendriten-Kurzschlüsse kommen. Li-Metall-Anoden haben das Potenzial, diese Probleme zu überwinden, da die Beschichtung von Li-Metall kein Problem darstellt, sondern tatsächlich die Anode ist. Darüber hinaus ermöglichen Li-Metall-Anoden Batterien mit höherer Energiedichte und damit eine höhere Reichweite für Elektrofahrzeuge. Allerdings ist die Ladegeschwindigkeit von Li-Metall-Anoden bisher durch die Bildung von Lithium-Dendriten-Kurzschlüssen begrenzt.

Dr. Eric Wachsman, Direktor des Maryland Energy Innovation Institute (MEI2) und Distinguished University Professor an der University of Maryland (UMD), und sein Forschungsteam entwickelten ein einphasiges gemischt ionen- und elektronenleitendes (MIEC) Granatmaterial, das Bei Integration in ihre zuvor entwickelte 3D-Architektur erreichten sie nicht nur das DOE-Schnellladeziel für Li-Cycling, sondern übertrafen es sogar um den Faktor 10.

Die poröse Struktur des MIEC-Granats trägt dazu bei, die Spannungen auf die Festelektrolyte (SE) während des Zyklierens zu verringern, indem sie das Potenzial gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und so lokale Hotspots verhindert, die zur Bildung von Dendriten führen könnten.

Dieses transformative Material und diese Struktur stellen einen großen Durchbruch dar, der sich auf Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen auswirken wird. Der Artikel „Extreme Lithium-Metal Cycling Enabled by a Mixed-Ion-Electron-Conducting (MIEC) Garnet 3D-Architecture“ ist in Nature Materials veröffentlicht.

Die Li-Zyklusraten (X-Achse), die Li-Menge pro Zyklus (Kreisdurchmesser) und der kumulative Li-Zyklus (Y-Achse) übertreffen die DOE-Schnellladeziele für Stromdichte, Flächenkapazität pro Zyklus und kumulative Kapazität bei weitem. bei Raumtemperatur ohne angelegten Druck. Mit dieser Li-Zyklusfähigkeit wären Elektrofahrzeuge in der Lage, 10 Jahre lang jeden Tag 100 % Entladungszyklen durchzuführen, was weit über alle erwarteten Lebensdauer-/Garantieanforderungen für Elektrofahrzeuge hinausgeht.

Y. Shirley Meng, leitende Wissenschaftlerin am ACCESS Argonne National Lab und Professorin an der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago, sagte: „Wachsman und sein Team haben in dieser Arbeit die überlegene Leistungsfähigkeit der Lithiummetallanode demonstriert Durch das innovative 3D-Design und die einzigartige Architektur könnte eine solche Leistung erreicht werden. Ein solcher Ansatz eröffnet ein neues Paradigma für das Design von wiederaufladbaren Hochenergiebatterien der nächsten Generation.“

„In meinen 35 Jahren, in denen ich mich mit festen ionenleitenden Materialien beschäftige, ist dies das erste Mal in der wissenschaftlichen Literatur, dass ich Ionen bei Raumtemperatur durch eine feste Keramik zirkulieren lassen kann, insbesondere bei Stromdichten von bis zu 100 mA/cm2.“ Ionen aus einem festen Metall. sagte Wachsman. Die erfolgreiche Demonstration dieses dendritenfreien Hochgeschwindigkeits-Li-Metalls in 3D-MIEC-Strukturen dürfte die Entwicklung praktischer „Li-freier“ Anoden-Festkörperbatterien vorantreiben.

„Die reversible Hochgeschwindigkeits-Lithium-Metallanode ist eine der größten Herausforderungen auf dem Weg zu wettbewerbsfähigen Festkörperbatterien. Die Demonstration von Stromdichten in der von Eric Wachsman und seinem Team berichteten Höhe könnte bahnbrechend sein“, sagte Dr. Jürgen Janek, Direktor Zentrum für Materialforschung, Justus-Liebig-Universität Gießen.

Mehr Informationen: George V. Alexander et al., Extremer Lithium-Metall-Zyklus ermöglicht durch eine gemischte ionen- und elektronenleitende dreidimensionale Granatarchitektur, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01627-9