Eine Gruppe von Forschenden der Nankai-Universität in China und der britischen University of Cambridge haben eine neue Methode zur Stabilisierung von Lithiumelektroden entwickelt: Sie stützt sich auf eine Schutzmembran an der Elektrodenoberfläche mit umgekehrter Opalstruktur, der den Prozess der Ionenabscheidung auf der Elektrodenoberfläche wirksam kontrolliert.
Ziel: Verbesserte Energiedichte bei hoher Stabilität
Für viele Menschen sind batteriebetriebene elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops und sogar Elektrofahrzeuge heute eine Notwendigkeit. Diese Geräte müssen jedoch in der Regel mindestens einmal am Tag aufgeladen werden. Um die Zeitspanne zwischen den Aufladungen zu verlängern, müssen Batterien entwickelt werden, die mehr Energie speichern können. Lithium-Metall-Elektroden versprechen zwar eine deutliche Verbesserung der Energiedichte, doch ihre mangelnde Stabilität führt zu einer kurzen Lebensdauer der Batterien und birgt erhebliche Sicherheitsrisiken.
Lithium – ein widerspenstiges Kind
“Lithium ist wie ein widerspenstiges Kind”, erklärt einer der Autoren der Studie, Guoran Li, Professor für Materialchemie an der School of Materials Science and Engineering der Nankai University. “Sein launisches Verhalten bei der Elektrodenreaktion führt zu einer unebenen Elektrodenoberfläche und scharfen Dendriten, die den Separator durchbohren und einen Brand verursachen können. Dies macht die Batterie instabil und unsicher.”
Entwicklung einer neuartigen Membran
Um diese Unregelmäßigkeiten in den Griff zu bekommen, beschlossen Prof. Li und seine Forscherkollegen, von der traditionellen Methode zum Schutz der Elektrodenoberflächen vor Korrosion abzuweichen und eine Membran mit einer regelmäßigen Struktur und aktiven Komponenten zu entwickeln, die das Verhalten des Lithiums steuern kann.
So gleichen den Forschenden zufolge die hochgradig geordneten Kanäle in der invers-opalen Struktur die Lithium-Ionen-Verteilung aus und regulieren effektiv jede Phase des Elektroabscheidungsprozesses, um die Lithium-Metallelektrode für die Batterien zu stabilisieren.
TiO2-Membran mit inverser Opalstruktur
In der Studie, die in der KeAi-Fachzeitschrift Green Energy & Environment veröffentlicht wurde, wird ein Ansatz vorgeschlagen, der sich von den bestehenden Methoden unterscheidet, um die Elektroabscheidung von Lithiummetallelektroden zu regulieren. Dabei wird eine invers-opal strukturierte TiO2-Membran mit einer Dicke von nur ∼1 μm auf der Oberfläche von Lithiummetallelektroden angebracht. Anders als bei der Strategie der schützenden Oberflächenschicht können die geordneten Nanokanäle der TiO2-Membran mit inverser Opalstruktur einen gleichmäßigen Lithiumionenfluss regulieren und so zum Massentransfer beitragen. Die Anatas-TiO2-Wand kann die Desolvatisierung von Lithiumionen in der Vorumwandlungsphase fördern und die nanoskaligen Hohlräume der inversen Opalstruktur können die Migration der adsorbierten Lithiumatome in der Ladungstransfer- und Kristallisationsphase verkürzen, um ein geringeres Abscheidungspotenzial zu erreichen. Diese systematischen Effekte ermöglichen eine stabile Lithiummetallelektrode.
Neue Perspektive für Membranforschung
Nach Ansicht von Wu Xuewen, dem Doktoranden, der die Untersuchung und Datenaufbereitung leitete, ist dies ein wertvolles Forschungsergebnis auf dem Gebiet der Lithium (Li)-Metallelektroden. “Unsere Forschung zeigt, dass die regelmäßige Struktur und die aktiven Komponenten der Schutzmembran den Reaktionsprozess der Elektrode wirksam regulieren können, um die endgültige elektrochemische Leistung zu verbessern.” Er fügt hinzu: “Wir hoffen, dass unsere Studie eine neue Perspektive für die detaillierte Erforschung des Reaktionsprozesses von Li-Metall-Elektroden bieten und die praktische Anwendung von Hochleistungs-Li-Metall-Batterien fördern kann.”
Die Originalveröffentlichung finden Sie auf der Seite “Science Direct“.
