Neuartige Li- und Na-Batterien
Im Mittelpunkt der Aktivitäten im Rahmen dieses Schwerpunktthemas steht das Designprinzip für "anodenfreie" oder "zero-excess"-Li-Metall- (oder Na-Metall-) Batterien, bei denen sich das Alkalimetall während des Ladevorgangs auf den Stromsammler abscheidet.Unsere Forschung zielt auf die Optimierung der anodenfreie Systeme durch drei Strategien ab: Elektrolytmodifikation mit Additiven für Stabilität und Dendritenunterdrückung, funktionelle Schichten für robuste Grenzflächen und homogene Abscheidung sowie 3D-Zwischenschichten, die eine gleichmäßige Lithium- (oder Natrium-) Abscheidung und Auflösung ermöglichen. Mit diesen Ansätzen werden die wichtigsten Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit, Effizienz und Skalierbarkeit angegangen. Sie ebnen den Weg für anodenfreie Batterien mit hoher Energiedichte, die für Energiespeicherlösungen der nächsten Generation konzipiert sind.
"Anodenfreie" oder "Zero-excess"-Lithium-Metall-Batterien bieten einen Weg zu deutlich höherer Energiedichte, indem sie die herkömmliche Anode auf Kohlenstoffbasis überflüssig machen und stattdessen Lithium/Natrium während des Ladevorgangs direkt auf den Stromkollektor abscheiden - und es während der Entladung vom Stromkollektor abziehen. Dieses Design steht jedoch vor kritischen Herausforderungen, darunter die ungleichmäßige Alkalimetalabscheidung/-auflösung und die geringe coulombische Effizienz. Dies führt zustarken Kapazitätsverlusten, die durch die Bildung von totem Lithium/Natrium und instabilen Festkörper-Elektrolyt-Grenzflächen verursacht werden. Der begrenzte Lithium-/Natriumvorrat in Vollzellen verschärft diese Probleme und führt zu einer schnellen Verschlechterung der Zyklenleistung. Um diese Hindernisse zu überwinden, verfolgen wir drei Strategien: Elektrolytmodifikation, Stromkollektormodifikation und Grenzflächenmodifikation mit 3D-Zwischenschichten.
Modifikation der Elektrolytlösung
Die Entwicklung wirksamer Elektrolyte ist entscheidend für die Weiterentwicklung anodenfreier Lithium-Metall-Batterien durch Stabilisierung der Elektrolyt/Li-Metall-Grenzfläche. Die Instabilität dieser Grenzfläche führt zu einer inhomogenen Li-Abscheidung und einem Li-Verbrauch. Wir gehen die Herausforderungen an, indem wir eine „Dual-Additiv“ Strategie entwickeln, die LiAsF6 und Fluorethylencarbonat enthält und die Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche verbessert, wodurch eine Kapazitätserhaltung von 75 % nach 50 Zyklen in vollen Zellen erreicht wird 1. Dieser neue Elektrolytansatz stabilisiert und ermöglicht nicht nur den anodenfreien Ansatz, sondern unterstützt auch stabile Zyklisierung bei hohen Spannungen, was Batterie-Konfigurationen mit hoher Energiedichte praktisch möglich macht. Unsere optimierten Doppelsalzelektrolyte erleichtern so den homogenen Lithium-Ionen-Transport und erreichen Effizienzen von über 85 % über 400 Zyklen bei hohen Spannungen von bis zu 4,7 V 2 . Dieser integrierte Ansatz unterstreicht den doppelten Nutzen organischer Elektrolytmodifikationen: die Stabilisierung anodenfreier Designs und die Ermöglichung praktischer, skalierbarer Lösungen mit hoher Energiedichte für nachhaltige Energiespeicherung.
Weitere Infos finden Sie im Projekt ProMoBis.
3D-Zwischenschichten
Die Implementierung von 3D-Zwischenschichten hat sich als revolutionärer Ansatz erwiesen, der eine homogene Lithiumauflösung und -abscheidung ermöglicht und den Weg für anodenfreie Lithium-Metall-Batterien ebnet. Unsere Zwischenschichten, die aus lithiophilen und lithiophoben Materialien in porösen Kohlenstoffmatrizen bestehen, weisen innerhalb der Kohlenstofffasern einen lithiophilen-lithiophoben Gradienten von Kern zu Schale auf 1,2. Diese innovative Struktur gewährleistet eine gleichmäßige Ablagerung von Lithium-Ionen, verhindert konzentriertes Lithiumwachstum und mildert Spannungen bei volumetrischen Veränderungen. Zusätzlich verbessern chemisch vorlithiierte Komposit-Zwischenschichten, die Silber und Kupfer enthalten, die ionische und elektronische Leitfähigkeit, minimieren den Lithium-Ionen-Verlust und stabilisieren die Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche. Im Ergebnis liefert unsere Strategie eine außergewöhnliche Zyklenstabilität, wobei diese zero-excess Lithium-Metall-Batterien mehr als 300 Zyklen bei 1,17 C mit vernachlässigbarem Kapazitätsabfall erreichen. Dieser Fortschritt markiert einen bedeutenden Schritt in Richtung praktischer anodenfreier Designs, die hohe Energiedichte mit langfristiger Zuverlässigkeit verbinden.
Weitere Infos finden Sie im Projekt HIPSTER.
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Letzte Änderung: 09.02.2025