Um die neuen Batterien zu erstellen, die für Elektrofahrzeuge, mobile Geräte und Speicher für erneuerbare Energien benötigt werden, haben Forscher neue Materialien, neue Designs, neue Konfigurationen und neue Chemie untersucht.
Ein Aspekt – die Textur der verwendeten Metalle – wurde historisch übersehen.
„Weiche Metalle wie Lithium und Natrium haben hervorragende Eigenschaften, um negative Elektroden der Batterien zu sein, wobei Lithium als ultimatives Anodenmaterial für zukünftige mit hochenergetische wiederaufladbare Batterien angesehen wird“, sagte Uchicago PME Prof. Shirley Meng, der Liew Family Professor in Molekular Engineering. „Es besteht eine Lücke beim Verständnis der Kornorientierung, auch als Textur bezeichnet, wie sich dieser Faktor auf die wiederaufladbare Leistung der Metallbatterie auswirkt.“
Ein neues Papier aus dem Labor von Meng für Energiespeicher und -umwandlung und Industriepartner Thermo Fisher Scientific durchlief diese Barriere und zeigt, dass die Verbesserung der Textur des Metalls die Leistung erheblich verbesserte.
Das Werk wurde heute in der Zeitschrift veröffentlicht Joule.
„In unserer Arbeit haben wir festgestellt, dass das Hinzufügen einer dünnen Siliziumschicht zwischen Lithiummetall und dem aktuellen Sammler die gewünschte Textur erzeugt“, sagte Uchicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, der erste Autor der neuen Arbeit. „Diese Änderung verbesserte die Geschwindigkeitsfähigkeit der Batterie in All-Solid-State-Batterien mit Lithium-Metall um fast zehnmal.“
„Die Textur optimieren“
Die ideale Textur für eine Batterieanode ist eine, bei der sich Atome schnell entlang der Oberflächenebene bewegen können. Diese schnelle Bewegung hilft dem Batterielad, und löst schneller auf.
„Wir haben festgestellt, dass Unterschiede in der Oberflächenenergie von Soft Metal die Art und Weise, wie sie strukturiert ist, wirklich verändern können“, sagte Zhang. „Da Batterien mit Lithium- oder Natriummetall auf diese Texturen für die favorisierte Ratenfähigkeit angewiesen sind, fragte sich das Team, ob die Optimierung der Textur weicher Metalle die Stromdichten verbessern könnte.“
Nach der Untersuchung dieser Untersuchung musste eine Hürde in der Mikroskopie überwunden werden. Um das Material zu untersuchen, gekoppeltes Fräsen innerhalb von Plasma fokussierter Ionenstrahl-Scanning-Elektronenmikroskop (PFIB-SEM) mit Elektronen-Rückstreuungs-Beugung (EBSD). Zusammen konnten die beiden Techniken Textur auf neue Weise studieren.
„Das Sammeln von Texturinformationen zu weichen Metallen ist eine Herausforderung, vor allem aufgrund von Schwierigkeiten beim Zugriff auf das Interessengebiet und die Reaktivität des Lithium- und Natriummetalls“ Mitglied des Uchicago Energy Transition Network. „Die PFIB-EBSD-Kombination ist für diese Studie gut geeignet, da PFIB effektiv auf den Interessenbereich innerhalb des Zellstapels zugreifen kann und eine qualitativ hochwertige Oberfläche mit minimalen Defekten erzeugt, während EBSD detaillierte Texturinformationen auf dem Softmetall liefert.“
Das Team hat sich mit dem Frontier Research Laboratory von LG Energy Solution zusammengetan, das sich für die Kommerzialisierung der Technologie einsetzen wird.
„LG Energy Solution verfolgt aktiv Forschungskooperationen, um auf dem sich schnell entwickelnden Batteriemarkt weiter zu bleiben“, sagte Jeong Beom Lee von LG Energy Solution von LG Energy Solution. „Während die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und Energiespeicher weiter wächst, erkennen wir, wie wichtig es ist, unser Fertigungsexpertise mit innovativen Forschung von Universitäten für die Entwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation zu kombinieren.“
Die nächste Herausforderung der Forscher besteht darin, den Druck zu senken, der während der Tests von 5 Megapascals (MPA) auf 1 MPa verwendet wird, dem aktuellen Industriestandard für im Handel erhältliche Batterien. Sie planen auch, die Auswirkungen der Textur auf Natrium zu untersuchen, die Meng seit langem als kostengünstige, leicht verfügbare Alternative zu Lithium untersucht hat.
„Da wir jetzt verstehen, wie sich die Textur in weichen Metallen bildet, sagen wir voraus, dass Natriummetall es vorzieht, eine Textur für eine schnelle atomare Diffusion zu haben“, sagte Zhang. „Dies bedeutet, dass die Verwendung von Natrium als Anode der Batterie in All-Solid-State-Batterien zu einem großen Durchbruch bei der zukünftigen Energiespeicherung führen kann.“
