Eine unerwartete Eigenschaft von Antimonkristallen im Nanometerbereich - die spontane Bildung hohler Strukturen - könnte dazu beitragen, der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte zu verleihen, ohne die Lebensdauer der Batterie zu verkürzen. Die reversibel hohl werdenden Strukturen könnten es Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen, mehr Energie zu speichern und somit zwischen den Ladevorgängen mehr Strom zu liefern.
Der Fluss von Lithiumionen in und aus legierten Batterieanoden war lange Zeit ein begrenzender Faktor für die Energiemenge, die Batterien mit herkömmlichen Materialien speichern können. Ein zu starker Ionenfluss führt dazu, dass die Anodenmaterialien während der Lade- und Entladezyklen anschwellen und dann schrumpfen, was zu einer mechanischen Beeinträchtigung führt, die die Lebensdauer der Batterie verkürzt. Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher bisher hohle "Dotterschalen"-Nanopartikel entwickelt, die die durch den Ionenfluss verursachte Volumenänderung ausgleichen, aber ihre Herstellung war komplex und kostspielig.
Nun hat ein Forscherteam entdeckt, dass Partikel, die tausendmal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares, während des Lade-Entlade-Zyklus spontan hohle Strukturen bilden, ohne ihre Größe zu verändern, und so mehr Ionenfluss ermöglichen, ohne die Anoden zu beschädigen. Die Forschungsergebnisse wurden am 1. Juni in der Zeitschrift "Nature Nanotechnology" veröffentlicht.
Im Labor von Matthew McDowell an der Georgia Tech wurden kleine Batterien verwendet, um die spontane Bildung von Hohlstrukturen im Nanomaßstab zu untersuchen. (Kredit: Matthew McDowell, Georgia Tech)
"Es ist ein vielversprechender Ansatz, um die Lebensdauer und Stabilität von Batterien mit hoher Energiedichte zu verbessern", sagt Matthew McDowell, Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und der School of Materials Science and Engineering am Georgia Institute of Technology. "Das Problem war, dass die direkte Synthese dieser hohlen Nanostrukturen in dem für kommerzielle Anwendungen erforderlichen großen Maßstab schwierig und teuer ist. Unsere Entdeckung könnte einen einfacheren, rationelleren Prozess bieten, der zu einer verbesserten Leistung führen könnte, die den absichtlich hergestellten hohlen Strukturen ähnlich ist."
Die Forscher machten ihre Entdeckung mit Hilfe eines hochauflösenden Elektronenmikroskops, das es ihnen ermöglichte, Batteriereaktionen direkt zu visualisieren, während sie im Nanomaßstab ablaufen. "Dies ist eine knifflige Art von Experiment, aber wenn man geduldig ist und die Experimente richtig macht, kann man wirklich wichtige Dinge darüber lernen, wie sich die Materialien in Batterien verhalten", sagte McDowell.
Das Team, dem auch Forscher der ETH Zürich und des Oak Ridge National Laboratory angehörten, schuf mit Hilfe von Modellierungen einen theoretischen Rahmen, um zu verstehen, warum die Nanopartikel beim Entfernen von Lithium aus der Batterie spontan hohl werden - anstatt zu schrumpfen.
Die Fähigkeit zur Bildung und reversiblen Füllung hohler Partikel während der Batteriezyklen tritt nur in oxidbeschichteten Antimon-Nanokristallen mit einem Durchmesser von weniger als 30 Nanometern auf. Das Forschungsteam fand heraus, dass dieses Verhalten auf einer elastischen nativen Oxidschicht beruht, die eine anfängliche Ausdehnung während der Lithiumbildung - dem Fluss von Ionen in die Anode - ermöglicht, aber eine Schrumpfung mechanisch verhindert, wenn Antimon beim Entfernen der Ionen Hohlräume bildet, ein Prozess, der als Delithiumbildung bekannt ist.
Das Ergebnis war etwas überraschend, da frühere Arbeiten zu ähnlichen Materialien mit größeren Partikeln durchgeführt worden waren, die sich ausdehnen und schrumpfen, anstatt hohle Strukturen zu bilden. "Als wir zum ersten Mal das ausgeprägte Hohlraumverhalten beobachteten, war das sehr aufregend und wir wussten sofort, dass dies wichtige Auswirkungen auf die Batterieleistung haben könnte", sagte McDowell.
Antimon ist relativ teuer und wird derzeit nicht in kommerziellen Batterieelektroden verwendet. McDowell ist jedoch der Ansicht, dass die spontane Aushöhlung auch bei weniger kostspieligen verwandten Materialien wie Zinn auftreten kann. Zu den nächsten Schritten gehören die Erprobung anderer Materialien und die Kartierung eines Weges zur kommerziellen Vergrößerung.
"Es wäre interessant, andere Materialien zu testen, um zu sehen, ob sie sich nach einem ähnlichen Mechanismus der Aushöhlung umwandeln", sagte er. "Dies könnte die Palette der für den Einsatz in Batterien verfügbaren Materialien erweitern. Die kleinen Testbatterien, die wir hergestellt haben, zeigten eine vielversprechende Lade-Entladeleistung, so dass wir die Materialien gerne in größeren Batterien testen würden".
Die selbsthohlenden Antimon-Nanokristalle sind zwar kostspielig, haben aber noch eine weitere interessante Eigenschaft: Sie könnten auch in Natrium- und Kalium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, also in neu entstehenden Systemen, für die noch viel Forschungsarbeit geleistet werden muss.
"Diese Arbeit bringt unser Verständnis darüber voran, wie sich diese Art von Material in Batterien entwickelt", sagte McDowell. "Diese Informationen werden für den Einsatz des Materials oder ähnlicher Materialien in der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien entscheidend sein, die mehr Energie speichern können und genauso langlebig sind wie die heutigen Batterien".
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Dieser Artikel wurde ursprünglich vom Georgia Institute of Technology veröffentlicht, geschrieben von John Toon.
Der Titel und der Inhalt wurden möglicherweise aus stilistischen und inhaltlichen Gründen bearbeitet.
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