US-Festkörper-E-Auto-Batterie behält nach 450 Ladezyklen über 80 % Kapazität

Forscher des Argonne National Laboratory und der University of Chicago haben eine Methode zur Steigerung der Energiedichte und Lebensdauer von Festkörperbatterien entwickelt.

Durch das Mischen von Batteriematerialien bei Forscher des Argonne National Laboratory und der University of Chicago haben eine Methode zur Steigerung der Energiedichte und Lebensdauer von Festkörperbatterien entwickelt.

Durch das Mischen von Batteriematerialien bei 2.000 Umdrehungen pro Minute für fünf Stunden löste das Team einen Prozess namens Halidensegregation aus. „Die Batterien behielten auch nach 100 Lade-Entlade-Zyklen volle Leistung bei.

Leistung und Energieausbeute

Nach 450 Zyklen lag die Leistung immer noch über 80 %“, teilte ANL in einer Pressemitteilung mit. Die Studie zeigt, dass die Energiedichte dieser Batterien zuvor festgelegte theoretische Grenzen übertreffen kann.

Diese Ergebnisse wurden bei Raumtemperatur ohne externe Erwärmung erzielt. Die Forschung konzentrierte sich auf Lithium-Schwefel-Chemien, die erdverfügbare Materialien nutzen, um Produktionskosten zu senken.

Durch das Erreichen dieser Zahlen hat das Team zwei der Haupthindernisse für die kommerzielle Anwendung der Festkörpertechnologie beseitigt. Das Hochgeschwindigkeitsmischen erzeugt Wärme und Scherkräfte, die eine mechanochemische Reaktion auslösen.

Während dieser Reaktion wandern Lithiumatome, die

Während dieser Reaktion wandern Lithiumatome, die an Halogene wie Chlor oder Brom gebunden sind, zur Grenzfläche zwischen dem festen Elektrolyten und der Kathode.

Die Bewältigung der Grenzflächenherausforderung im Festkörperdesign Khalil Amine, ein Argonne Distinguished Fellow und Professor an der University of Chicago, erklärte, dass das Management dieser Grenzflächen notwendig ist, um diese Batteriesysteme zu ermöglichen.

Ein verbesserter Ionenfluss an der Grenzfläche ermöglicht es der Batterie, über Hunderte von Zyklen Leistung zu erbringen.

Alle Festkörperbatterien unterscheiden sich von herkömmlichen

Alle Festkörperbatterien unterscheiden sich von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, weil sie keine flüssigen oder Gelmaterialien enthalten.

Diese Batterien bestehen aus einer Kathode und einer Anode, die durch einen festen Elektrolyten getrennt sind. Diese Konstruktion bietet mehrere Vorteile, darunter verbesserte Sicherheit, geringeres Gewicht und höhere Energiedichte.

„Allerdings war die Entwicklung von Festkörperbatterien aufgrund schlechter Verbindungen zwischen dem festen Elektrolyten und dem Kathodenmaterial schwierig“, fügte die Pressemitteilung hinzu.

Leistung und Energieausbeute

„Diese schlechte Verbindung – genannt das Grenzflächenproblem (Interface) – kann den Ionenfluss behindern und deren Leistung reduzieren.“ Obwohl sich das Team zunächst auf Schwefel konzentrierte, da es ein reichlich vorhandenes Material ist, testeten sie auch Kathoden aus Selen und Tellur.

Kreuzchemische Anwendungen mit atomarer Verifizierung Diese Elemente zeigten nach dem Mischprozess eine ähnliche Halidsegregation und Leistungsverbesserungen. Dies deutet darauf hin, dass die Hochgeschwindigkeitsmischmethode Probleme an der Grenzfläche bei mehreren Batteriekremien lösen könnte.

Guiliang Xu, ein Chemiker von Argonne, stellte fest, dass die Weiterentwicklung die Kosteneffizienz des Systems durch die Verwendung verfügbarer Materialien verbessert. Um die Halidensegregation auf atomarer Ebene zu beobachten, verwendeten die Forscher mehrere Bildgebungstechniken an den Benutzeranlagen des DOE Office of Science.

Dazu gehörten die kryogene Transmissionselektronenmikroskopie

Dazu gehörten die kryogene Transmissionselektronenmikroskopie am Center for Nanoscale Materials und die Röntgenabsorptionsspektrenkartierung am Advanced Photon Source. Diese Werkzeuge ermöglichten es dem Team zu überprüfen, dass die Lithiumatome zur Grenzfläche wanderten.

Der Prozess ist einfach umzusetzen, führt aber zu internen Veränderungen, die die Ionenbewegung begünstigen.

Diese Entwicklung bietet eine potenzielle Lösung für die Grenzflächenprobleme, die die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien behindert haben.

Durch die Verwendung eines mechanischen Prozesses

Durch die Verwendung eines mechanischen Prozesses zur Verbesserung der inneren Verbindungen hat das Forschungsteam einen stabileren und effizienteren Batteriekern geschaffen.

„Hochgeschwindigkeitsmischen kann die Leistung von Batteriesystemen erheblich verbessern, ein vielversprechendes Nutzen für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtbranche“, schlossen die Forscher.