Die Lösung des Dendritenproblems bei wiederaufladbaren Lithiumbatterien öffnet die Tür zum Design neuer Festkörperbatterien
Forscher des Massachusetts Institute of Technology erklärten die Bildung von Dendriten in wiederaufladbaren Lithiumbatterien und wie verhindert werden kann, dass sie den Elektrolyten passieren. Diese Entdeckung könnte schließlich die Tür zum Design einer neuen wiederaufladbaren Lithiumbatterie öffnen, die leichter, kompakter und sicherer als die aktuelle Version ist.
Bisher ist die kommerzielle Nutzung von wiederaufladbaren Lithium-Metall-Batterien begrenzt, von denen eine Dendriten ist. Dendriten können sich auf der Lithiumoberfläche ansammeln, in den Festelektrolyten eindringen und schließlich von einer Elektrode zur anderen übergehen, wodurch die Batterie kurzgeschlossen wird.
Die frühe Forschung des MIT ergab, dass die Lithiumionen-Festelektrolytmaterialien während des Ladens und Entladens der Batterie hin und her pendeln, was zu einer Änderung des Elektrodenvolumens führt. Dies führt zwangsläufig zu Spannungen im Festelektrolyten, der einen vollständigen Kontakt mit den beiden in der Mitte angeordneten Elektroden aufrechterhalten muss."Um dieses Metall abzuscheiden, muss das Volumen erweitert werden, da die neue Masse zunimmt. Daher hat das Volumen der Lithiumbatterieseite zugenommen. Wenn es auch nur kleine Defekte gibt, erzeugen sie Druck auf diese Defekte, was zu Rissen führt."
Das Forscherteam stellt nun fest, dass diese Drücke zu Rissen führen können, die Dendriten bilden. Die Fakten haben bewiesen, dass die Lösung des Problems darin besteht, Druck in die richtige Richtung und mit angemessener Kraft auszuüben.
Zuvor glaubten einige Forscher, dass Dendriten eher durch rein elektrochemische Prozesse als durch mechanische Prozesse gebildet wurden, aber die Experimente des Teams zeigten, dass das Problem durch mechanische Belastung verursacht wurde.
Der Entstehungsprozess von Zelldendriten findet meist in der Tiefe undurchsichtiger Materialien statt, die nicht direkt beobachtet werden können. Daher haben Forscher ein Verfahren zur Herstellung dünner Zellen mit transparentem Elektrolyt entwickelt, das den gesamten Prozess direkt sehen und aufzeichnen kann.
Das Team bewies, dass es das Wachstum von Dendriten durch Aufbringen und Lösen von Druck direkt steuern kann, sodass die Richtung der Dendriten und die Kraft vollständig konsistent sind. Mechanische Beanspruchung von Festelektrolyten kann die Bildung von Dendriten nicht verhindern, aber ihre Wachstumsrichtung steuern. Dadurch können sie parallel zu den beiden Elektroden geführt und daran gehindert werden, die andere Seite zu passieren und dadurch unschädlich zu werden.
Eine andere Methode ist"Aufputschmittel"und Atome in das Material einbetten, um es zu verformen und in einen dauerhaften Spannungszustand zu versetzen. Experimente zeigen, dass der Druck von 150 bis 200 MPa ausreicht, um zu verhindern, dass Dendriten den Elektrolyten passieren.
Früher wurde angenommen, dass sandwichartige Mehrschichtstrukturen die Bildung dendritischer Strukturen verhindern könnten. Neue Experimente haben jedoch bewiesen, dass die Extrusion von Materialien senkrecht zur Richtung der Batterieplatte die Bildung der dendritischen Struktur tatsächlich verschlimmert. Stattdessen sollte entlang des Flugzeugs Druck ausgeübt werden, als ob es von der Seite des Sandwichs gepresst würde.
