Auf dem Weg zu besserer Festigkeit

Ein Team des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der Florida State University hat einen neuen Entwurf für Festkörperbatterien entworfen, die weniger von bestimmten chemischen Elementen abhängig sind, insbesondere von kritischen Metallen, deren Beschaffung aufgrund von Lieferkettenproblemen schwierig ist.Ihre Arbeit, berichtetKürzlich in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht, könnten Festkörperbatterien vorangebracht werden, die effizient und erschwinglich sind.

Festkörperbatterien werden für ihre hohe Energiedichte und überlegene Sicherheit gepriesen und könnten für die Elektroautoindustrie von entscheidender Bedeutung sein. Aber die Entwicklung eines Geräts, das erschwinglich und gleichzeitig leitfähig genug ist, um ein Auto mit einer einzigen Ladung Hunderte von Kilometern zurückzulegen, war lange Zeit eine schwierige Hürde, die es zu überwinden galt.

„Mit unserem neuen Ansatz für Festkörperbatterien müssen Sie nicht auf Erschwinglichkeit zugunsten der Leistung verzichten. Unsere Arbeit ist die erste, die dieses Problem löst, indem wir einen Festelektrolyten nicht nur mit einem Metall, sondern mit einem Team erschwinglicher Metalle entwickeln“, sagte Co-Erstautor Yan Zeng, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab.

In einer Lithium-Ionen-Batterie funktioniert der Elektrolyt wie ein Transferknotenpunkt, an dem sich Lithiumionen mit elektrischer Ladung bewegen, um entweder ein Gerät mit Strom zu versorgen oder die Batterie aufzuladen.

Festkörperbatterien speichern wie andere Batterien Energie und geben sie dann an die Stromversorgung von Geräten ab. Anstelle der in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten flüssigen oder polymeren Gel-Elektrolyten verwenden sie jedoch einen festen Elektrolyten.

Regierung, Forschung und Wissenschaft haben stark in die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien investiert, da die für viele kommerzielle Batterien entwickelten flüssigen Elektrolyte anfälliger für Überhitzung, Feuer und Ladungsverlust sind.

Allerdings basieren viele der bisher hergestellten Festkörperbatterien auf bestimmten Metallarten, die teuer und nicht in großen Mengen verfügbar sind. Einige kommen in den Vereinigten Staaten überhaupt nicht vor.

Für die aktuelle Studie demonstrierte Zeng – zusammen mit Bin Ouyang, einem Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der Florida State University – und dem leitenden Autor Gerbrand Ceder, einem leitenden Wissenschaftler der Berkeley Lab-Fakultät und UC Berkeley-Professor für Materialwissenschaften und -technik, einen neuen Typ Festelektrolyt bestehend aus einer Mischung verschiedener Metallelemente. Zeng und Ouyang entwickelten die Idee für diese Arbeit erstmals, als sie ihre Postdoktorandenforschung am Berkeley Lab und der UC Berkeley unter der Aufsicht von Ceder abschlossen.

Die neuen Materialien könnten zu einem leitfähigeren Festelektrolyten führen, der weniger von einer großen Menge eines einzelnen Elements abhängig ist.

In Experimenten im Berkeley Lab und an der UC Berkeley demonstrierten die Forscher den neuen Festelektrolyten, indem sie mehrere Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Materialien mit mehreren gemischten Metallen synthetisierten und testeten.

Sie stellten fest, dass die neuen Multimetallmaterialien eine bessere Leistung als erwartet erbrachten und eine um mehrere Größenordnungen schnellere Ionenleitfähigkeit aufwiesen als die Einzelmetallmaterialien. Die Ionenleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell sich Lithiumionen bewegen, um elektrische Ladung zu leiten.

Die Forscher gehen davon aus, dass das Zusammenmischen vieler verschiedener Metallarten neue Wege schafft – ähnlich wie die Hinzufügung von Schnellstraßen auf einer verstopften Autobahn –, über die sich Lithiumionen schnell durch den Elektrolyten bewegen können. Ohne diese Wege wäre die Bewegung von Lithiumionen langsam und begrenzt, wenn sie durch den Elektrolyten von einem Ende der Batterie zum anderen wandern, erklärte Zeng.

Um Kandidaten für das Multimetalldesign zu validieren, führten die Forscher fortgeschrittene theoretische Berechnungen auf der Grundlage einer Methode namens Dichtefunktionaltheorie auf Supercomputern am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) durch. Mithilfe von Rastertransmissionselektronenmikroskopen (STEM) an der Molecular Foundry bestätigten die Forscher, dass jeder Elektrolyt nur aus einem Materialtyp besteht – dem, was Wissenschaftler als „einzelne Phase“ bezeichnen – mit ungewöhnlichen Verzerrungen, die zu den neuen Ionentransportwegen in ihm führen Kristallstruktur.

Die Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Ionenleitern der nächsten Generation. Der nächste Schritt dieser Forschung besteht darin, den neuen Ansatz anzuwenden, den Zeng gemeinsam mit Ceder im Berkeley Lab entwickelt hat, um neuartige Festelektrolytmaterialien weiter zu erforschen und zu entdecken, die die Batterieleistung noch weiter verbessern können.

Diese Arbeit stellt eine der vielen Möglichkeiten dar, mit denen Experten des Berkeley Lab Energy Storage Center daran arbeiten, den Übergang des Landes zu einer sauberen, erschwinglichen und widerstandsfähigen Energiezukunft zu ermöglichen.

Im vergangenen Jahr gewann Ouyang einen NERSC High Performance Computing Achievement Award für „die Förderung des Verständnisses der chemischen Nahordnung für die Entwicklung einer neuen Generation kommerzialisierter Kathodenmaterialien“. Der Preis würdigt Nachwuchswissenschaftler, die mithilfe von NERSC-Ressourcen bedeutende Beiträge zur wissenschaftlichen Berechnung geleistet haben.

Weitere Wissenschaftler, die zu dieser Arbeit beitragen, sind Young-Woon Byeon und Zijian Cai vom Berkeley Lab, Jue Liu vom Oak Ridge National Laboratory sowie Lincoln Miara und Yan Wang vom Samsung Advanced Institute of Technology.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website des Lawrence Berkeley National Laboratory veröffentlicht