Am 21. August schlugen Prof. MA Cheng von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC) und seine Mitarbeiter eine effektive Strategie zur Behebung des Problems des Elektroden-Elektrolyt-Kontakts vor, das die Entwicklung von Festkörper-Lithiumbatterien der nächsten Generation einschränkt. Die so hergestellte Festkörper-Kompositelektrode zeigte außergewöhnliche Kapazitäten und Lade-/Entladeleistungen.
Der Ersatz des organischen Flüssigelektrolyten in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien durch Festelektrolyte kann die Sicherheitsprobleme deutlich verringern und potenziell die Grenzen der Energiedichteverbesserung durchbrechen. Allerdings sind auch die gängigen Elektrodenmaterialien Feststoffe. Da der Kontakt zwischen zwei Feststoffen kaum so eng sein kann wie der zwischen Feststoff und Flüssigkeit, weisen Batterien auf Basis von Festelektrolyten derzeit typischerweise einen schlechten Elektroden-Elektrolyt-Kontakt und unbefriedigende Gesamtzellenleistungen auf.
„Das Problem des Elektroden-Elektrolyt-Kontakts in Festkörperbatterien ähnelt dem kürzesten Dauben eines Holzfasses“, sagte Prof. MA Cheng von der USTC, Hauptautor der Studie. „Tatsächlich haben Forscher in den letzten Jahren bereits viele hervorragende Elektroden und Festelektrolyte entwickelt, aber der mangelhafte Kontakt zwischen ihnen begrenzt nach wie vor die Effizienz des Lithiumionentransports.“
Glücklicherweise könnte die Strategie von MA diese gewaltige Herausforderung bewältigen. Die Studie begann mit der atomgenauen Untersuchung einer Verunreinigungsphase in einem prototypischen, perowskitstrukturierten Festelektrolyten. Obwohl sich die Kristallstruktur der Verunreinigung und des Festelektrolyten stark unterschied, bildeten sie epitaktische Grenzflächen. Nach einer Reihe detaillierter Struktur- und chemischer Analysen entdeckten die Forscher, dass die Verunreinigungsphase isostrukturell mit den hochkapazitiven, lithiumreichen Schichtelektroden ist. Das heißt, ein prototypischer Festelektrolyt kann auf der „Vorlage“ des atomaren Gerüsts einer Hochleistungselektrode kristallisieren, wodurch atomar enge Grenzflächen entstehen.
„Das ist wirklich eine Überraschung“, sagte Erstautor Li Fuzhen, derzeit Doktorand an der USTC. „Das Vorhandensein von Verunreinigungen im Material ist eigentlich ein sehr häufiges Phänomen, so häufig, dass es meist ignoriert wird. Doch bei genauerer Betrachtung entdeckten wir dieses unerwartete epitaktische Verhalten, das uns direkt zu unserer Strategie zur Verbesserung des Festkörperkontakts inspirierte.“
Im Vergleich zum üblicherweise angewandten Kaltpressverfahren ermöglicht die von den Forschern vorgeschlagene Strategie einen gründlichen, nahtlosen Kontakt zwischen Festelektrolyten und Elektroden auf atomarer Ebene, wie in der atomar aufgelösten Elektronenmikroskopieaufnahme deutlich wird. (Bereitgestellt vom Team von MA.)
Die Forscher nutzten das beobachtete Phänomen, indem sie ein amorphes Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie der Perowskit-Festelektrolyt gezielt auf der Oberfläche einer lithiumreichen Schichtverbindung kristallisierten und so einen vollständigen, nahtlosen Kontakt zwischen diesen beiden Festkörpermaterialien in einer Kompositelektrode herstellten. Nachdem das Problem des Elektroden-Elektrolyt-Kontakts gelöst war, erreichte diese Festkörper-Festkörper-Kompositelektrode eine vergleichbare Lade-/Entladeleistung wie eine Fest-Flüssig-Kompositelektrode. Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass diese Art von epitaxialem Festkörper-Festkörper-Kontakt auch große Gitterfehlanpassungen tolerieren kann. Die von ihnen vorgeschlagene Strategie könnte daher auch auf viele andere Perowskit-Festelektrolyte und Schichtelektroden anwendbar sein.
„Diese Arbeit hat eine Richtung aufgezeigt, die es wert ist, weiterverfolgt zu werden“, sagte MA. „Die Anwendung des hier vorgestellten Prinzips auf andere wichtige Materialien könnte zu noch besseren Zellleistungen und interessanteren wissenschaftlichen Erkenntnissen führen. Wir freuen uns darauf.“
Die Forscher beabsichtigen, ihre Untersuchungen in diese Richtung fortzusetzen und die vorgeschlagene Strategie auf andere Kathoden mit hoher Kapazität und hohem Potenzial anzuwenden.
Die Studie mit dem Titel „Atomisch enger Kontakt zwischen Festelektrolyten und Elektroden für Lithiumbatterien“ wurde in Matter, einer führenden Fachzeitschrift des Cell Press Verlags, veröffentlicht. Erstautor ist Li Fuzhen, Doktorand an der USTC. Zu den Kooperationspartnern von Prof. Ma Cheng gehören Prof. Nan Ce-Wen von der Tsinghua-Universität und Dr. Zhou Lin vom Ames Laboratory.
(Fakultät für Chemie und Materialwissenschaften)
Link zum Artikel: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Veröffentlichungsdatum: 03.06.2019