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Einfacheres Verfahren zum Erstellen von Hochleistungs-Batterieanoden

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Forscher haben Komponenten auf Siliziumbasis für Festkörper-Lithiumbatterien hergestellt.

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Während Elektrofahrzeuge (EVs) immer mehr Verbreitung finden, versuchen die Forscher immer noch, die Batterietechnologie zu verbessern, um ihre Reichweite und Energieproduktion zu verbessern, damit sie eine Leistung demonstrieren können, die der von kraftstoffbetriebenen Autos entspricht. Zu diesem Zweck haben neue Forschungsarbeiten einen einfacheren Weg zur Herstellung von Siliziumanoden für Festkörper-Lithiumbatterien zur Verwendung in EVs entdeckt, wodurch der Weg geebnet wurde, damit diese Geräte die gleiche Leistung erbringen wie die derzeitigen Lithium-Ionen-Designs auf Flüssigkeitsbasis.

Ein Team des japanischen National Institute of Materials Science (NIMS) nutzte die Sprühabscheidung - ein kostengünstiger, atmosphärischer Herstellungsmodus - zur Herstellung einer Siliziumanode für Festkörperbatterien, die eine Leistung zeigte, die bisher nur bei Filmelektroden zu beobachten war, die durch Verdampfungsprozesse entwickelt wurden.

"Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass die kostengünstige und großtechnische Produktion von Hochleistungsanoden für den Einsatz in Festkörper-Lithiumbatterien möglich ist", schrieb das Team unter der Leitung von Narumi Ohta, einem leitenden Forscher am NIMS, in einer Arbeit in ACS Applied Energy Materials.

NIMS arbeitete bei der Forschung mit der New Energy and Industrial Technology Development Organization und dem Autohersteller Toyota zusammen.

Materialwissenschaftler betrachten Festkörperbatterien als Alternative zu den derzeitigen Chemikalien auf Flüssigkeitsbasis, die giftige Materialien enthalten, die schwer zu entsorgen sind und das Potenzial haben, Feuer zu legen oder zu explodieren. Diese neuen Chemikalien werden als bessere Optionen für hochkapazitive und hochleistungsfähige Energiespeicher angesehen, wie sie z.B. für EVs benötigt werden.

Silizium ist eine wünschenswerte Alternative zu dem üblicherweise als aktives Anodenmaterial in kommerziellen Batterien verwendeten Graphit, da es eine etwa 11-mal höhere Kapazität als Graphit hat. Dadurch werden auch die mit diesem Material hergestellten Batterien für den Einsatz in EVs und anderen Anwendungen, die eine hohe Speicherkapazität benötigen, rentabler.

Lösen der aktuellen Materialbeschränkungen

Ein Nachteil der Verwendung von Festkörperbatterien mit Siliziumanoden ist jedoch, dass die Volumenänderung des Siliziums während des Ladens und Entladens - oder die Lithierung und Delithierung in einer Lithiumbatterie - die praktische Anwendung behindert. "Die wiederholte enorme Volumenänderung des Siliziums verursacht die Partikelisolierung und führt somit zum Verlust des aktiven Materials, was zu einem kontinuierlichen Kapazitätsverlust führt", schrieben sie in der Zeitschrift.

In der Tat wird in typischen Festkörperzellen das aktive Material zwischen zwei festen Komponenten - einer festen Elektrolyt-Separatorschicht und einem Metall-Stromkollektor - platziert, wodurch das Problem durch elektrische Isolierung des aktiven Materials vermieden werden kann.

Das NIMS-Team ging mit einem neuen Ansatz zur Synthese einer Hochleistungs-Anode für Festkörper-Lithiumbatterien unter Verwendung kommerzieller Silizium-Nanopartikel einen Schritt weiter.

Bei ihrer Konstruktion erfährt das Silizium bei der Lithierung eine Volumenausdehnung, strukturelle Verdichtung und eine merkliche Koaleszenz in dem engen Raum zwischen der Festelektrolyt-Separatorschicht und dem Metallstromabnehmer, um einen kontinuierlichen Film zu bilden, der dem durch den Verdampfungsprozess vorbereiteten ähnlich ist. "Die Anode, die aus Nanopartikeln besteht, die durch Sprühabscheidung hergestellt wurden, weist daher eine ausgezeichnete Elektrodenleistung auf, die bisher nur bei durch Sputtern abgeschiedenen Filmelektroden beobachtet wurde", schrieben die Forscher in der Zeitschrift.

Das Team ist der Ansicht, dass mit ihrem Design die Herstellung von Hochkapazitätsanoden für Festkörper-Lithiumbatterien leichter möglich ist. Die Forscher planen, ihre Arbeit zur Verbesserung der Zyklisierbarkeit in der Anode fortzusetzen, indem sie die flächenhafte Massenladung von Nanopartikeln erhöhen, um die Anforderungen an Energiespeicherung und Produktion von EVs besser zu erfüllen.