Neues Anodenmaterial könnte zu schnellerer Sicherheit führen

Wissenschaftler der UC San Diego haben ein neues Anodenmaterial entdeckt, das das sichere Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien innerhalb von Minuten über Tausende von Zyklen hinweg ermöglicht. Die neue Anode, bekannt als ungeordnetes Steinsalz, besteht aus auf der Erde häufig vorkommenden Lithium-, Vanadium- und Sauerstoffatomen, die ähnlich wie gewöhnliches Küchensalz angeordnet sind, jedoch zufällig. Es ist vielversprechend für kommerzielle Anwendungen, bei denen sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistung gewünscht sind, wie etwa Elektroautos, Staubsauger oder Bohrmaschinen.

Die gemeinsam von Nanoingenieuren in den Laboren der Professoren Ping Liu und Shyue Ping Ong geleitete Studie wurde am 2. September in Nature veröffentlicht.

Derzeit werden zwei Materialien als Anoden in den meisten kommerziell erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet, die Geräte wie Mobiltelefone, Laptops und Elektrofahrzeuge mit Strom versorgen. Am gebräuchlichsten ist eine Graphitanode, die eine extrem hohe Energiedichte aufweist – eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Graphitanode kann ein Auto Hunderte von Kilometern lang antreiben, ohne dass sie aufgeladen werden muss. Allerdings kann ein zu schnelles Aufladen einer Graphitanode aufgrund eines Prozesses namens Lithiummetallisierung zu Bränden und Explosionen führen. Eine sicherere Alternative, die Lithiumtitanat-Anode, kann schnell wieder aufgeladen werden, führt jedoch zu einer erheblichen Verringerung der Energiedichte, was bedeutet, dass die Batterie häufiger aufgeladen werden muss.

Diese neue ungeordnete Steinsalzanode – Li3V2O5 – liegt in einem wichtigen Mittelweg: Sie ist sicherer in der Verwendung als Graphit und bietet dennoch eine Batterie mit mindestens 71 % mehr Energie als Lithiumtitanat.

„Die Kapazität und Energie werden etwas geringer sein als bei Graphit, aber es ist schneller, sicherer und hat eine längere Lebensdauer. Es hat eine viel niedrigere Spannung und daher eine deutlich verbesserte Energiedichte im Vergleich zu derzeit kommerziell erhältlichen schnell aufladbaren Lithium-Titanat-Anoden“, sagte Haodong Liu, ein Postdoktorand im Labor von Professor Ping Liu und Erstautor der Arbeit. „Mit diesem Material können wir schnell aufladbare, sichere Batterien mit langer Lebensdauer herstellen, ohne zu große Einbußen bei der Energiedichte.“

Die Kristallstruktur des ungeordneten Steinsalzes -Li3V2O5. Die roten Kugeln stellen O dar, das blaue Tetraeder stellt Li in tetraedrischen Plätzen dar und das grüne Oktaeder stellt die gemeinsamen Li/V-Oktaederplätze dar

Um diese Entdeckung zu kommerzialisieren, gründeten die Forscher ein Unternehmen namens Tyfast. Die ersten Märkte des Startups werden Elektrobusse und Elektrowerkzeuge sein, da sich das ungeordnete Li3V2O5-Steinsalz aufgrund seiner Eigenschaften ideal für den Einsatz in Geräten eignet, bei denen das Aufladen leicht geplant werden kann.

Forscher im Labor von Professor Liu planen, dieses Lithium-Vanadiumoxid-Anodenmaterial weiterzuentwickeln und gleichzeitig andere Batteriekomponenten zu optimieren, um eine kommerziell nutzbare Vollzelle zu entwickeln.

„Seit langem ist die Batterie-Community auf der Suche nach einem Anodenmaterial, das bei einem Potenzial knapp über Graphit arbeitet, um sicheres, schnelles Laden von Lithium-Ionen-Batterien zu ermöglichen. Dieses Material schließt eine wichtige Wissens- und Anwendungslücke“, sagte Ping Liu. „Wir freuen uns über sein kommerzielles Potenzial, da das Material eine Drop-in-Lösung für den heutigen Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien sein kann.“

Warum dieses Material ausprobieren?

Vor sechs Jahren experimentierten Forscher erstmals mit ungeordnetem Steinsalz als Batteriekathode. Seitdem wurde viel daran gearbeitet, das Material in eine effiziente Kathode umzuwandeln. Haodong Liu sagte, das Team der UC San Diego habe aufgrund einer Vermutung beschlossen, das Material als Anode zu testen.

„Wenn Menschen es als Kathode verwenden, müssen sie das Material auf 1,5 Volt entladen“, sagte er. „Aber als wir uns die Struktur des Kathodenmaterials bei 1,5 Volt ansahen, dachten wir, dass dieses Material eine spezielle Struktur hat, die möglicherweise mehr Lithiumionen aufnehmen kann – das bedeutet, dass es bei noch niedrigerer Spannung als Anode fungieren kann.“

In der Studie stellte das Team fest, dass ihre ungeordnete Steinsalzanode zwei Lithiumionen bei einer durchschnittlichen Spannung von 0,6 V – höher als die 0,1 V von Graphit – reversibel wechseln kann, wodurch die Lithiummetallisierung bei einer hohen Laderate entfällt, was die Batterie sicherer macht niedriger als die 1,5 V, bei denen Lithiumtitanat Lithium einlagert und daher viel mehr Energie speichert.

Die Forscher zeigten, dass die Li3V2O5-Anode über 6.000 Zyklen ohne nennenswerten Kapazitätsabfall durchlaufen kann und Energie schnell laden und entladen kann, wobei sie in 20 Sekunden über 40 Prozent ihrer Kapazität abgibt. Die niedrige Spannung und die hohe Energieübertragungsrate sind auf einen einzigartigen umverteilenden Lithium-Interkalationsmechanismus mit niedrigen Energiebarrieren zurückzuführen.

Der Postdoktorand Zhuoying Zhu vom Materials Virtual Lab von Professor Shyue Ping Ong führte theoretische Berechnungen durch, um zu verstehen, warum die ungeordnete Steinsalz-Li3V2O5-Anode so gut funktioniert.

„Wir haben herausgefunden, dass Li3V2O5 über einen Lademechanismus funktioniert, der sich von anderen Elektrodenmaterialien unterscheidet. Die Lithiumionen ordnen sich auf eine Weise neu an, die sowohl zu niedriger Spannung als auch zu einer schnellen Lithiumdiffusion führt“, sagte Zhuoying Zhu.

„Wir glauben, dass noch andere Elektrodenmaterialien darauf warten, entdeckt zu werden, die auf einem ähnlichen Mechanismus funktionieren“, fügte Ong hinzu.

Die Korrespondenz- und Erstautoren im Zoom-Call. Von oben links im Uhrzeigersinn: Professor Ping Liu, Professor Shyue Ping Ong, Haodong Liu, Jun Lu, Professor Huolin Xin und Zhuoying Zhu.

Die experimentellen Studien an der UC San Diego wurden durch Auszeichnungen des UC San Diego Startup-Fonds an Ping Liu finanziert, während die theoretischen Studien durch das Energieministerium und das Data Infrastructure Building Blocks (DIBBS) Local Spectroscopy Data Infrastructure-Programm der National Science Foundation finanziert wurden und nutzte Ressourcen im San Diego Supercomputer Center, die im Rahmen des Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) bereitgestellt wurden.

Das Team arbeitete auch mit Forschern des Oak Ridge National Lab zusammen, die Neutronenbeugung nutzten, um die atomare Struktur des Li3V2O5-Materials zu bestimmen. Forscher der UC Irvine und des Brookhaven National Lab unter der Leitung von Professor Huolin Xin führten hochauflösende mikroskopische Untersuchungen durch, um die strukturellen Veränderungen nach der Lithiuminsertion aufzuklären. Schließlich führten die Teams des Argonne National Lab unter der Leitung von Jun Lu und des Lawrence Berkeley National Lab Röntgenbeugungs- und Röntgenabsorptionsstudien durch, um die Kristallstrukturänderung und Ladungskompensationsmechanismen des Materials während der (De-)Lithiierung aufzudecken. Diese Studie nutzte nationale Laboreinrichtungen, darunter die Strahllinie VULCAN (Spallations-Neutronenquelle im Oak Ridge National Lab), die Strahllinie 17-BM (Advanced Photon Source im Argonne National Lab) und die Strahllinie 5.3.1 (Advanced Light Source im Lawrence Berkeley National Lab).

Titel des Papiers: „Eine ungeordnete Steinsalzanode für schnell aufladbare Lithium-Ionen-Batterien.“ Zu den Co-Autoren gehören Haodong Liu, Zhuoying Zhu, Qizhang Yan, Sicen Yu, Yiming Chen, Yejing Li, Xing Xing, Yoonjung Choi und Shyue Ping Ong und Ping Liu, UC San Diego; Xin He, Jun Feng, Robert Kostecki, Lawrence Berkeley National Laboratory; Yan Chen, Ke An, Oak Ridge National Laboratory; Rui Zhang, Huolin L. Xin, University of California; , Brookhaven National Laboratory; Tongchao Liu, Matthew Li, Khalil Amine, Tianpin Wu, Jun Lu, Argonne National Laboratory; Lucy Gao, Del Norte High School; Helen Sung-yun Cho, Canyon Crest Academy.

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