Chemiker der Universität Jena verhindern Dendrit-Bildung bei Lithium-Metall-Batterien
Die Energiedichte herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien nähert sich einem Sättigungspunkt, der den Anforderungen der Zukunft – etwa in Elektrofahrzeugen – nicht mehr gerecht wird. Lithium-Metall-Batterien können hingegen im Vergleich dazu doppelt so viel Energie pro Gewichtseinheit liefern. Die größte Herausforderung, die ihre Anwendung behindert, ist die Bildung von Lithium-Dendriten – also kleinen, nadelartigen Strukturen, die ähnlich Stalagmiten in einer Tropfsteinhöhle an der Lithium-Metall-Anode wachsen. Diese Dendriten breiten sich oft so weit aus, bis sie die Separatormembran, die die Elektroden voneinander trennt, durchstoßen, was zu einem Kurzschluss und schließlich zur Zerstörung der Batterie führt. Seit vielen Jahren suchen Experten weltweit nach einer Lösung für dieses Problem. Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Boston und Detroit gelungen, die Dendritenbildung zu unterbinden und somit die Lebensdauer einer Lithium-Metall-Batterie mindestens zu verdoppeln. Über ihre Methode berichten die Forschenden in der renommierten Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“.
Zweidimensionale Membran verhindert Dendritennukleation
Während des Ladungstransfers bewegen sich die Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Immer wenn sie ein Elektron aufnehmen, lagern sie ein Lithium-Atom ab. Diese Atome reichern sich an der Anode an und es bildet sich eine kristalline Oberfläche, die dort, wo sich die Atome ansammeln, dreidimensional wächst und so die Dendriten bildet. Die Poren der Separatormembran beeinflussen die Keimbildung der Dendriten. Ist der Ionentransport homogener, kann das Entstehen der Dendriten vermieden werden.
„Deshalb haben wir eine extrem dünne, zweidimensionale Membran aus Kohlenstoff auf den Separator aufgebracht, deren Poren einen Durchmesser von weniger als einen Nanometer haben“, erklärt Prof. Andrey Turchanin von der Universität Jena. „Diese winzigen Öffnungen sind kleiner als die kritische Keimgröße und verhindern so die Keimbildung, die das Wachsen der Dendriten auslöst. Anstatt dendritische Strukturen zu bilden, lagert sich das Lithium als glatter Film auf der Anode ab.“ Die Gefahr, dass die Separatormembran dadurch beschädigt werde, bestehe nicht – die Funktionalität der Batterie werde nicht beeinträchtigt.
„Um unsere Methode zu überprüfen, haben wir Testbatterien, die mit unserer Hybrid-Separator-Membran ausgestattet waren, immer wieder aufgeladen“, sagt Dr. Antony George von der Universität Jena. „Selbst nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen konnten wir kein dendritisches Wachstum feststellen.“
b) Durch die Einführung einer Kohlenstoff-Nanomembran auf dem regulären Batterie-Separator kann das Wachstum von Lithium-Nadeln unterdrückt werden. Die Sub-Nanometer-großen Poren in Kohlenstoff-Nanomembranen regulieren den Transport von Lithium-Ionen während der Lade-Entlade-Zyklen der Batterie, wodurch sich ein glatter Film ablagert und die Lebensdauer der Batterie deutlich erhöht werden kann. (Bild: Turchanin et al./Wiley)
„Die Schlüsselinnovation hier ist die Stabilisierung der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche mit einer ultradünnen Membran, die den aktuellen Batterieherstellungsprozess nicht verändert“, sagt Prof. Dr. Leela Mohana Reddy Arava von der Wayne State University in Detroit. „Die Stabilität der Grenzfläche garantiert eine Verbesserung der Leistung und die Sicherheit dieses elektrochemischen Systems.“
Zum Patent angemeldet
Batterien mit hoher Energiedichte vergrößern die Reichweite von Elektrofahrzeugen bei gleichem Gewicht und Volumen der Batterie und sorgen dafür, dass tragbare elektronische Geräte mit einer einzigen Ladung länger halten. „Der Separator bekommt im Vergleich zu den anderen Komponenten der Batterie am wenigsten Aufmerksamkeit“, sagt Sathish Rajendran von der Wayne University. „Das Ausmaß, in dem eine nanometerdicke zweidimensionale Membran auf dem Separator einen Unterschied in der Lebensdauer einer Batterie machen könnte, ist faszinierend.“
Das Forscherteam ist zuversichtlich, dass ihre Erkenntnisse das Potenzial haben, eine neue Generation von Lithiumbatterien hervorzubringen. Deshalb haben sie ihr Verfahren zum Patent angemeldet. In einem nächsten Schritt soll nun geprüft werden, wie sich die Anwendung der zweidimensionalen Membran in den Herstellungsprozess integrieren lässt. Zudem wollen die Forschenden die Idee auch auf andere Batterietypen anwenden.
Originalpublikation
Rajendran, Z. Tang, A. George, A. Cannon, C. Neumann, A. Sawas, E. Ryan, A. Turchanin & L. M. R. Arava: Inhibition of Lithium Dendrite Formation in Lithium Metal Batteries via Regulated Cation Transport through Ultrathin Sub-Nanometer Porous Carbon Nanomembranes, Advanced Energy Materials, 2021, DOI: 10.1002/aenm.202100666
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Info, Sebastian Hollstein // UNI Jena
Fotografiken 1, Sathish Rajendran/Wayne State University und 2, Turchanin et al./Wiley
