Neue Forschungsarbeiten des Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) haben einen spezifischen Baustein identifiziert, der die Anode in Lithium-Ionen-Batterien verbessert.
Die einzigartigen Eigenschaften der Struktur, die mit Hilfe der Nanopartikeltechnologie hergestellt wurde, werden heute in der Zeitschrift Communications Materials vorgestellt und erläutert.
Leistungsstarke, tragbare und wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien sind wichtige Bestandteile der modernen Technologie, die in Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen zu finden sind. Im Jahr 2019 wurde ihr Potenzial, die Art und Weise zu revolutionieren, wie wir in Zukunft Energie speichern und verbrauchen, wenn wir uns von fossilen Brennstoffen verabschieden, besonders gewürdigt: Der Nobelpreis ging an das neue Mitglied des OIST Board of Governors, Dr. Akira Yoshino, für seine Arbeit zur Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie.
Traditionell wird Graphit für die Anode einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet, aber dieses Kohlenstoffmaterial hat erhebliche Einschränkungen.
"Wenn eine Batterie geladen wird, werden Lithiumionen gezwungen, sich von einer Seite der Batterie - der Kathode - durch eine Elektrolytlösung zur anderen Seite der Batterie - der Anode - zu bewegen. Wenn die Batterie dann benutzt wird, wandern die Lithiumionen zurück in die Kathode und ein elektrischer Strom wird aus der Batterie freigesetzt", erklärt Dr. Marta Haro, eine ehemalige Forscherin am OIST und Erstautorin der Studie. "Aber in Graphitanoden werden sechs Kohlenstoffatome benötigt, um ein Lithium-Ion zu speichern, so dass die Energiedichte dieser Batterien gering ist."
Da Wissenschaft und Industrie derzeit den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien für den Antrieb von Elektrofahrzeugen und Luft- und Raumfahrzeugen erforschen, ist die Verbesserung der Energiedichte von entscheidender Bedeutung. Die Forscher suchen nun nach neuen Materialien, die die Anzahl der in der Anode gespeicherten Lithiumionen erhöhen können.
Einer der vielversprechendsten Kandidaten ist Silizium, das für jedes Siliziumatom vier Lithiumionen binden kann.
In Kammer 1 werden die Nanopartikel aus Tantalmetall gezüchtet. In dieser Kammer klumpen einzelne Tantalatome zusammen, ähnlich wie bei der Bildung von Regentropfen. In Kammer 2 werden die Nanopartikel nach ihrer Masse gefiltert, wobei zu große oder zu kleine Partikel entfernt werden. In Kammer 3 wird eine Schicht aus Nanopartikeln abgeschieden. Diese Schicht wird dann mit isolierten Siliziumatomen "besprüht", wodurch eine Siliziumschicht entsteht. Dieser Vorgang kann dann wiederholt werden, um eine mehrschichtige Struktur zu erzeugen. (Das Schema wurde von Pavel Puchenkov, OIST, Abteilung für wissenschaftliches Rechnen und Datenanalyse, erstellt).
"Siliziumanoden können zehnmal so viel Ladung in einem gegebenen Volumen speichern wie Graphitanoden - eine ganze Größenordnung höher in Bezug auf die Energiedichte", so Dr. Haro. "Das Problem ist, dass die Lithiumionen in die Anode eindringen und dabei eine enorme Volumenänderung von bis zu 400 % erfahren, was dazu führt, dass die Elektrode zerbrechen kann.
Die große Volumenänderung verhindert auch die stabile Bildung einer Schutzschicht, die zwischen dem Elektrolyten und der Anode liegt. Bei jeder Aufladung der Batterie muss sich diese Schicht daher immer wieder neu bilden, was den begrenzten Vorrat an Lithium-Ionen aufbraucht und die Lebensdauer und Wiederaufladbarkeit der Batterie verringert.
"Unser Ziel war es, eine robustere Anode zu schaffen, die diesen Belastungen standhält, so viel Lithium wie möglich aufnehmen kann und so viele Ladezyklen wie möglich ermöglicht, bevor sie sich verschlechtert", so Dr. Grammatikopoulos, Hauptautor der Arbeit. "Und der Ansatz, den wir gewählt haben, war, eine Struktur mit Nanopartikeln zu bauen."
In einer früheren Arbeit, die 2017 in Advanced Science veröffentlicht wurde, entwickelte die inzwischen aufgelöste OIST Nanoparticles by Design Unit eine kuchenartige Schichtstruktur, bei der jede Siliziumschicht zwischen Tantal-Metall-Nanopartikeln eingebettet war. Dadurch wurde die strukturelle Integrität der Siliziumanode verbessert und ein Überquellen verhindert.
Beim Experimentieren mit verschiedenen Dicken der Siliziumschicht, um zu sehen, wie sich diese auf die elastischen Eigenschaften des Materials auswirken, stellten die Forscher etwas Seltsames fest.
"Bei einer bestimmten Dicke der Siliziumschicht gab es einen Punkt, an dem sich die elastischen Eigenschaften der Struktur vollständig änderten", sagte Theo Bouloumis, ein derzeitiger Doktorand am OIST, der dieses Experiment durchführte. "Das Material wurde allmählich steifer, nahm dann aber schnell an Steifigkeit ab, wenn die Dicke der Siliziumschicht weiter erhöht wurde. Wir hatten einige Ideen, aber wir kannten damals nicht den grundlegenden Grund für diese Veränderung."
Diese neue Arbeit liefert nun endlich eine Erklärung für den plötzlichen Anstieg der Steifigkeit bei einer kritischen Dicke.
Mit Hilfe von Mikroskopietechniken und Computersimulationen auf atomarer Ebene konnten die Forscher zeigen, dass die Siliziumatome, die sich auf der Schicht aus Nanopartikeln ablagern, keinen gleichmäßigen und einheitlichen Film bilden. Stattdessen bilden sie Säulen in Form von umgekehrten Kegeln, die immer breiter werden, je mehr Siliziumatome aufgebracht werden. Schließlich berühren sich die einzelnen Siliziumsäulen und bilden eine gewölbte Struktur.
"Die gewölbte Struktur ist stark, so wie ein Bogen im Bauwesen stark ist", sagt Dr. Grammatikopoulos. "Das gleiche Konzept gilt, nur auf einer Nanoskala."
Wichtig ist, dass die erhöhte Festigkeit der Struktur auch mit einer verbesserten Batterieleistung einherging. Bei elektrochemischen Tests stellten die Wissenschaftler fest, dass die Lithium-Ionen-Batterie eine höhere Ladekapazität hatte. Die Schutzschicht war auch stabiler, so dass die Batterie mehr Ladezyklen aushalten konnte.
Diese Verbesserungen werden erst in dem Moment sichtbar, in dem sich die Säulen berühren. Vor diesem Zeitpunkt sind die einzelnen Säulen wackelig und können der Anode keine strukturelle Integrität verleihen. Und wenn die Siliziumabscheidung nach der Berührung der Säulen fortgesetzt wird, entsteht ein poröser Film mit vielen Hohlräumen, was zu einem schwammartigen Verhalten führt.
Die Entdeckung der gewölbten Struktur und ihrer einzigartigen Eigenschaften ist nicht nur ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung von Siliziumanoden in Lithium-Ionen-Batterien, sondern bietet auch viele andere potenzielle Anwendungen in den Materialwissenschaften.
"Die gewölbte Struktur könnte verwendet werden, wenn Materialien benötigt werden, die stark sind und verschiedenen Belastungen standhalten, etwa für Bio-Implantate oder zur Speicherung von Wasserstoff", so Dr. Grammatikopoulos. "Die genaue Art von Material, die man braucht - stärker oder weicher, flexibler oder weniger flexibel - kann präzise hergestellt werden, indem man einfach die Dicke der Schicht ändert. Das ist das Schöne an Nanostrukturen."
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Dieser Artikel wurde ursprünglich von der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University veröffentlicht.
Der Titel und der Inhalt können aus stilistischen und inhaltlichen Gründen bearbeitet worden sein.
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