Einem gemeinsamen Forschungsteam unter der Leitung von Professor Soojin Park und Dr. Dong-Yeob Han vom Fachbereich Chemie der POSTECH, zusammen mit Professor Nam-Soon Choi und Dr. Saehun Kim vom KAIST sowie Professor Tae Kyung Lee und Forscher Junsu Son von der Gyeongsang National University, ist es gelungen, in einer anodenfreien Lithium-Metall-Batterie eine volumetrische Energiedichte von 1.270 Wh/L zu erreichen. Dieser Wert ist fast doppelt so hoch wie der aktueller Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden und in der Regel etwa 650 Wh/L liefern.
Platz im Inneren für die Energiespeicherung
Bei einer anodenfreien Lithium-Metall-Batterie entfällt die herkömmliche Anode vollständig. Stattdessen bewegen sich die in der Kathode gespeicherten Lithiumionen während des Ladevorgangs und lagern sich direkt auf einem Kupferstromabnehmer ab. Durch den Wegfall unnötiger Komponenten kann mehr Platz im Inneren für die Energiespeicherung genutzt werden, ähnlich wie man mehr Kraftstoff in einen gleichgroßen Tank einbaut.
Diese Konstruktion birgt jedoch auch ernsthafte Probleme. Wenn sich Lithium ungleichmäßig ablagert, können sich scharfe, nadelartige Strukturen, so genannte Dendriten, bilden, die die Gefahr von Kurzschlüssen und potenziellen Sicherheitsrisiken erhöhen. Auch wiederholtes Laden und Entladen kann die Lithiumoberfläche beschädigen, was die Lebensdauer der Batterie schnell verkürzt.
Um diese Probleme zu lösen, wählte das Forschungsteam eine Doppelstrategie, die einen reversiblen Wirt (RH) und einen designten Elektrolyten (DEL) kombiniert. Der reversible Wirt besteht aus einem Polymergerüst, in das gleichmäßig verteilte Silber-Nanopartikel eingebettet sind, die das Lithium dazu bringen, sich an bestimmten Stellen abzulagern und nicht zufällig. Einfach ausgedrückt, wirkt er wie ein spezieller Parkplatz für Lithium, der eine geordnete und gleichmäßige Ablagerung gewährleistet.
Der entwickelte Elektrolyt erhöht die Stabilität weiter, indem er eine dünne, aber robuste Schutzschicht aus Li2O und Li3N auf der Lithiumoberfläche bildet. Diese Schicht wirkt wie ein Verband auf der Haut, der schädliches Dendritenwachstum verhindert und gleichzeitig die Wege für den Transport von Lithium-Ionen offen hält.
Langlebigkeit auch in auch in Taschenbatterien validiert
In Kombination lieferte das RH-DEL-System eine hervorragende Leistung. Bei hoher Flächenkapazität (4,6 mAh cm-2) und Stromdichte (2,3 mA cm-2) behielt die Batterie nach 100 Zyklen 81,9 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität und erreichte einen durchschnittlichen coulombschen Wirkungsgrad von 99,6 Prozent. Diese Ergebnisse ermöglichten es dem Team, die rekordverdächtige volumetrische Energiedichte von 1.270 Wh/L in anodenfreien Lithium-Metall-Batterien zu erreichen.
Wichtig ist, dass diese Leistung nicht nur in kleinen Laborzellen, sondern auch in Taschenbatterien validiert wurde, die näher an realen Elektrofahrzeuganwendungen sind. Selbst mit einer minimalen Menge an Elektrolyt (E/C = 2,5 g Ah-1) und unter niedrigem Stapeldruck (20 kPa) funktionierten die Batterien stabil. Dies zeigt, dass es möglich ist, das Gewicht und das Volumen der Batterien zu reduzieren und gleichzeitig den Herstellungsaufwand zu verringern, was die Marktfähigkeit erheblich verbessert.
Professor Soojin Park kommentierte: „Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Durchbruch dar, da sie gleichzeitig die Probleme der Effizienz und der Lebensdauer von anodenfreien Lithium-Metall-Batterien angeht.“ Professor Tae Kyung Lee fügte hinzu: „Unsere Studie zeigt, dass mit einem Elektrolytdesign auf der Grundlage handelsüblicher Lösungsmittel sowohl eine hohe Lithium-Ionen-Mobilität als auch eine hohe Grenzflächenstabilität erreicht werden kann.“
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