Bessere Metalltextur für leistungsfähigere Batterien
Eine optimierte Metalltextur steigert die Batterieleistung erheblich. Neue Forschung zeigt, wie Lithium- und Natriummetall effizienter genutzt werden können.
Eine neue Veröffentlichung aus dem Labor von Prof. Y. Shirley Meng zeigt, wie die Verbesserung der Textur von in Batterien verwendetem Metall die Leistung erheblich steigern kann.
Foto: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich
Batterieforschung konzentriert sich häufig auf neue Materialien, chemische Zusammensetzungen und innovative Designs. Ein wichtiger Faktor wurde jedoch lange vernachlässigt: die Textur der verwendeten Metalle. Forschende haben nun gezeigt, dass eine optimierte Metalltextur die Leistung von Batterien erheblich steigern kann.
Professorin Shirley Meng von der University of Chicago erklärt: „Weiche Metalle wie Lithium und Natrium sind hervorragende negative Elektrodenmaterialien. Lithium gilt als das ultimative Anodenmaterial für künftige Hochenergiebatterien. Dennoch besteht eine Wissenslücke bezüglich der Kornorientierung – auch Textur genannt – und deren Einfluss auf die Batterieperformance.“
Ein Team aus Mengs Labor in Zusammenarbeit mit Thermo Fisher Scientific hat diese Lücke geschlossen. Ihre Forschung zeigt, dass eine verbesserte Metalltextur die Lade- und Entladefähigkeit von Batterien erheblich optimiert. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht.
Eine dünne Siliziumschicht als Schlüssel zur besseren Textur
Minghao Zhang, Erstautor der Studie, erläutert: „Wir haben herausgefunden, dass das Hinzufügen einer dünnen Siliziumschicht zwischen Lithiummetall und Stromabnehmer die gewünschte Textur erzeugt. Diese Anpassung verbesserte die Ratenfähigkeit der Batterie in Festkörperbatterien mit Lithiummetall um fast das Zehnfache.“
Eine ideale Textur für Batterieanoden ermöglicht eine schnelle Bewegung der Atome entlang der Oberflächenebene. Dadurch lassen sich Batterien effizienter laden und entladen. Zhang fügt hinzu: „Wir haben festgestellt, dass Unterschiede in der Oberflächenenergie weicher Metalle deren Struktur erheblich beeinflussen. Lithium- und Natriummetallbasierte Batterien profitieren besonders von einer optimierten Textur, da sie so höhere Leistungsdichten erreichen können.“
Neue Analysemethoden liefern bahnbrechende Erkenntnisse
Die Untersuchung der Metalltextur in Batterien stellte bisher eine große Herausforderung dar. Das Forschungsteam kombinierte zwei hochmoderne Verfahren: die Plasma-Focused-Ion-Beam-Scanning-Electron-Microscopy (PFIB-SEM) und die Elektronenrückstreubeugung (EBSD). Diese Kombination ermöglichte eine bislang unerreichte Detailgenauigkeit in der Analyse der Textur.
Zhao Liu von Thermo Fisher Scientific erklärt: „Die Erfassung von Texturinformationen bei weichen Metallen ist anspruchsvoll, da Lithium und Natrium sehr reaktiv sind. Die Kombination aus PFIB und EBSD bietet eine ideale Lösung, da PFIB gezielt auf relevante Bereiche zugreifen kann und eine nahezu fehlerfreie Oberfläche erzeugt. Gleichzeitig liefert EBSD präzise Texturdaten.“
Zusammenarbeit mit der Industrie für marktfähige Batterien
Um die neuen Erkenntnisse in die industrielle Anwendung zu bringen, arbeitet das Team mit dem Frontier Research Laboratory von LG Energy Solution zusammen. Ziel ist es, die Technologie für den Markt zu skalieren.
Jeong Beom Lee, leitender Forscher bei LG Energy Solution, betont: „Wir suchen aktiv nach Forschungskooperationen, um in der Batterietechnologie führend zu bleiben. Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und Energiespeichern erfordert innovative Lösungen. Die Kombination unseres Fertigungs-Know-hows mit universitärer Spitzenforschung ermöglicht es uns, Batterietechnologien der nächsten Generation zu entwickeln.“
Nächste Schritte in der Forschung
Die Forschenden stehen nun vor der Herausforderung, den in den Tests verwendeten Druck von 5 Megapascal (MPa) auf den Industriestandard von 1 MPa zu senken. Zudem soll untersucht werden, wie sich eine verbesserte Textur auf Natriummetall auswirkt.
Meng erforscht Natrium schon länger als kostengünstige Alternative zu Lithium. Zhang ergänzt: „Da wir nun verstehen, wie sich die Textur in weichen Metallen bildet, erwarten wir, dass Natriummetall ebenfalls eine bevorzugte Textur entwickelt. Das könnte ein großer Durchbruch für die Energiespeicherung sein.“
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