Wissenschaftler der Tohoku-Universität und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) haben einen neuen komplexen superhydratischen Lithium-Leiter entwickelt, der zu Festkörperbatterien mit der bisher höchsten Energiedichte führen könnte. Ein Open-Access-Papier zu dieser Arbeit haben die Forscher im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht. Festkörper-Batterien gelten als vielversprechende Kandidaten für die Behebung der inhärenten Nachteile aktueller Lithium-Ionen-Batterien, wie Elektrolytleckage, Entflammbarkeit und begrenzte Energiedichte.
Die Forscher sagen, dass das neue Material, das durch die Konstruktion von Wasserstoffclusterstrukturen (komplexe Anionen) erreicht wurde, eine bemerkenswert hohe Stabilität gegenüber Lithiummetall aufweist, was es zum ultimativen Anodenmaterial für Festkörperbatterien machen würde. In der Theorie, so die Forscher, könnte eine Lithium-Schwefel-Vollfestkörper-Batterie mit einer hohen Energiedichte von gut 2,5 kWh je Kilogramm erreicht werden.
Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode bieten die Möglichkeit, die Probleme der Energiedichte herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien zu lösen, die brennbare organische flüssige Elektrolyten und kohlenstoffhaltige Anoden mit geringer Kapazität verwenden. Sie leiden jedoch unter einem hohen Lithiumionenübertragungswiderstand, hauptsächlich aufgrund der Instabilität der festen Elektrolyten gegenüber Lithiummetall, was ihre Verwendung in praktischen Zellen einschränkt. Lithium-Ionen-leitende Festelektrolyte sind eine Schlüsselkomponente von Festkörperbatterien, da die Ionenleitfähigkeit und Stabilität des Festelektrolyts die Batterieleistung bestimmen.
Das Problem war, dass die meisten vorhandenen Festelektrolyte eine chemische / elektrochemische Instabilität und / oder einen schlechten physischen Kontakt mit Lithiummetall aufweisen, was unvermeidlich unerwünschte Nebenreaktionen an der Grenzfläche verursacht. Diese Nebenreaktionen führen zu einem Anstieg des Grenzflächenwiderstands, wodurch die Batterieleistung während wiederholter Zyklen stark beeinträchtigt wird.
Wie aus früheren Studien hervorgeht, bei denen Strategien wie das Legieren des Lithiummetalls und die Modifizierung der Grenzfläche vorgeschlagen wurden, ist dieser Abbauprozess sehr schwierig, da er auf die hohe thermodynamische Reaktivität der Lithiummetallanode mit dem Elektrolyten zurückzuführen ist.
Komplexe Hydride haben aufgrund ihrer hervorragenden chemischen und elektrochemischen Stabilität gegenüber der Lithiummetallanode viel Aufmerksamkeit auf die Probleme der Lithiummetallanode gerichtet. Wegen ihrer geringen Ionenleitfähigkeit wurde jedoch in praktischen Batterien noch nie versucht, komplexe Hydride mit der Lithiummetallanode zu verwenden.
„Wir waren sehr motiviert zu sehen, ob die Entwicklung von komplexen Hydriden, die bei Raumtemperatur eine superionische Lithium-Leitfähigkeit aufweisen, die Verwendung einer Lithium-Metall-Anode ermöglichen kann. Und es hat funktioniert.“ – Sangryun Kim, Institute of Material Research (IMR), Tohoku Universität
Quelle: GreenCarCongress – New superionic conductor could result in highest energy density solid-state batteries to date
