Neue Li

Die Entwicklung von Li-freien Übergangsmetallkathoden vom Interkalationstyp und gepaarten Li-Metallanoden-Festkörperbatterien scheint eine praktikable Alternative zur Überwindung der Energiedichtebeschränkungen zu sein, mit denen die aktuelle wiederaufladbare Li-Ionen-Technologie konfrontiert ist. Darüber hinaus ist es bemerkenswert, dass der geschwindigkeitsbestimmende Prozess, der die Leistungsdichte von Festkörperbatterien begrenzt, nicht mehr in der Elektrolytkomponente liegt, sondern im maximalen Widerstand, der an den herkömmlichen Li-haltigen Oxid-Kathoden-/Elektrolyt-Grenzflächen beobachtet wird. Somit können die Li-freien Kathoden nicht nur mit Li-Metallanoden kombiniert werden, um eine höhere spezifische Energie für Festkörperbatterien zu erreichen, sondern ihre Wiederbelebung bietet auch eine Lösung für die Beseitigung großer Grenzflächenwiderstände, die durch chemische Inkompatibilitäten zwischen den herkömmlichen Oxidkathoden verursacht werden und die am häufigsten untersuchten Sulfidelektrolyte.

Noch wichtiger ist, dass die Erforschung solcher Materialien Bedenken hinsichtlich der Rohstoffverfügbarkeit, die durch den Hochlauf der Li-Ionen-Batterieproduktion entstehen, gut ausräumen kann. Insbesondere kommerzielle Kathoden, die für groß angelegte Energiespeicheranwendungen (z. B. Elektrofahrzeuge) geeignet sind und eine hohe Energiedichte und Lebensdauer aufweisen, sind alle bis zu einem gewissen Grad auf Co oder Ni angewiesen. Dies ist aufgrund der hohen Kosten, Knappheiten und zentralisierten/volatilen Lieferketten besorgniserregend. Daher ist die Entwicklung und Kommerzialisierung von Li-freien Kathoden ohne Co und Ni sowohl für die Festkörperbatterie- als auch die traditionelle Li-Ionen-Batterieindustrie von entscheidender Bedeutung.

Kürzlich identifizierte Prof. Siqi Shi von der Universität Shanghai einen entscheidenden Spannungsabstimmungs-/Phasenstabilitätswettbewerb, der bei den Kathodensystemen jemals übersehen wurde. Anschließend schlugen sie eine p-Typ-Legierungsstrategie mit drei Spannungs-/Phasenentwicklungsstufen vor, deren unterschiedliche Trends jeweils durch zwei verbesserte Ligandenfelddeskriptoren quantifiziert wurden, um den oben genannten Widerspruch auszugleichen. Auf dieser Grundlage wurde eine neue Li-freie Interkalationskathode 2H-V1,75Cr0,25S4 entwickelt, die eine Rekordenergiedichte von >550 Wh kg−1 auf Elektrodenebene aufwies, viel höher als die des bestehenden Li-freien Übergangsmetalls -basierte Elektroden (z. B. ~500 Wh kg−1 für TiS2) und vergleichbar mit den herkömmlichen Li-haltigen Oxidkathoden. Gleichzeitig glättete das Design solcher Kathoden die Li+-Verteilung an der Grenzfläche zu Sulfidelektrolyten und löste so die Herausforderungen der Grenzflächenkompatibilität herkömmlicher Oxidkathoden in Festkörperbatterien.

Diese Arbeit eröffnet Möglichkeiten zur kundenspezifischen Anpassung von Sulfidkathoden für Festkörper-Li-Metall-Batterien durch elektronische Bandstrukturtechnik, die die akademischen und industriellen Ansichten über das Elektrodendesign und die Grenzflächensteuerung radikal verändert und für Festkörperbatterien von entscheidender Bedeutung ist Wissenschaft und Kathodenchemie befassen sich dringend mit der Knappheit der Co/Ni-Ressourcen.