Am 21. August schlugen Prof. MA Cheng von der University of Science and Technology of China (USTC) und seine Mitarbeiter eine wirksame Strategie zur Lösung des Elektroden-Elektrolyt-Kontaktproblems vor, das die Entwicklung von Festkörper-Lithium-Batterien der nächsten Generation einschränkt. Die so hergestellte Festkörper-Verbundelektrode zeigte außergewöhnliche Kapazitäten und Ratenleistungen.
Der Ersatz des organischen Flüssigelektrolyts in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien durch Festelektrolyte kann die Sicherheitsprobleme erheblich verringern und möglicherweise die „gläserne Decke“ zur Verbesserung der Energiedichte durchbrechen. Gängige Elektrodenmaterialien sind jedoch ebenfalls Festkörper. Da der Kontakt zwischen zwei Festkörpern kaum so eng sein kann wie der zwischen Feststoff und Flüssigkeit, weisen derzeitige Batterien auf Basis von Festelektrolyten typischerweise einen schlechten Elektroden-Elektrolyt-Kontakt und eine unbefriedigende Gesamtzellenleistung auf.
„Das Problem des Elektroden-Elektrolyt-Kontakts bei Festkörperbatterien ist vergleichbar mit dem kürzesten Dauben eines Holzfasses“, sagte Prof. MA Cheng vom USTC, der Hauptautor der Studie. „Tatsächlich haben Forscher im Laufe der Jahre bereits viele hervorragende Elektroden und Festelektrolyte entwickelt, aber der schlechte Kontakt zwischen ihnen schränkt immer noch die Effizienz des Lithium-Ionen-Transports ein.“
Glücklicherweise könnte MAs Strategie diese gewaltige Herausforderung meistern. Die Studie begann mit der Atom-für-Atom-Untersuchung einer Verunreinigungsphase in einem Prototyp eines Festelektrolyten mit Perowskitstruktur. Obwohl sich die Kristallstruktur von Verunreinigung und Festelektrolyt stark unterschied, wurde die Bildung epitaktischer Grenzflächen beobachtet. Nach einer Reihe detaillierter Struktur- und chemischer Analysen entdeckten die Forscher, dass die Verunreinigungsphase isostrukturell mit den hochleistungsfähigen, Li-reichen Schichtelektroden ist. Das heißt, ein Prototyp eines Festelektrolyten kann auf der „Vorlage“, die durch das atomare Gerüst einer Hochleistungselektrode gebildet wird, kristallisieren, wodurch atomar intime Grenzflächen entstehen.
„Das ist wirklich eine Überraschung“, sagte Erstautor LI Fuzhen, der derzeit Doktorand am USTC ist. „Das Vorhandensein von Verunreinigungen im Material ist eigentlich ein sehr häufiges Phänomen, so häufig, dass sie meist ignoriert werden. Bei genauerer Betrachtung entdeckten wir jedoch dieses unerwartete epitaktische Verhalten, das uns direkt zu unserer Strategie zur Verbesserung des Festkörper-Festkörper-Kontakts inspirierte.“
Im Vergleich zum üblicherweise angewandten Kaltpressverfahren kann mit der von den Forschern vorgeschlagenen Strategie ein gründlicher, nahtloser Kontakt zwischen Festelektrolyten und Elektroden auf atomarer Ebene erreicht werden, wie das Elektronenmikroskopbild mit atomarer Auflösung zeigt. (Bereitgestellt vom MA-Team.)
Die Forscher nutzten dieses beobachtete Phänomen und kristallisierten gezielt amorphes Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie der Perowskit-strukturierte Festelektrolyt auf der Oberfläche einer Lithium-reichen Schichtverbindung. So gelang es ihnen, einen nahtlosen Kontakt zwischen diesen beiden Feststoffen in einer Verbundelektrode herzustellen. Durch die Lösung des Elektroden-Elektrolyt-Kontaktproblems lieferte eine solche Festkörper-Verbundelektrode eine Entladeleistung, die sogar mit der einer Festkörper-Flüssigkeits-Verbundelektrode vergleichbar war. Wichtiger noch: Die Forscher fanden heraus, dass diese Art des epitaktischen Festkörper-Festkörper-Kontakts große Gitterfehlanpassungen tolerieren kann. Daher könnte die von ihnen vorgeschlagene Strategie auch auf viele andere Perowskit-Festkörperelektrolyte 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 spannenderen wissenschaftlichen Erkenntnissen führen. Wir freuen uns darauf.“
Die Forscher beabsichtigen, ihre Forschung in diese Richtung fortzusetzen und die vorgeschlagene Strategie auf andere Kathoden mit hoher Kapazität und hohem Potenzial anzuwenden.
Die Studie wurde in Matter, einem führenden Journal von Cell Press, unter dem Titel „Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries“ veröffentlicht. Erstautor ist LI Fuzhen, ein Doktorand der USTC. Zu Prof. MA Chengs Mitarbeitern zählen 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
Beitragszeit: 03.06.2019