In einem neuen Energie der Natur berichten Ingenieure von Fortschritten in Richtung Lithium-Metall-Batterien, die schnell aufgeladen werden können – so schnell wie eine Stunde. Dieses schnelle Aufladen ist Lithiummetallkristallen zu verdanken, die schnell und gleichmäßig auf einer überraschenden Oberfläche gesät und gezüchtet werden können. Der Trick besteht darin, eine Kristallwachstumsoberfläche zu verwenden, die Lithium offiziell nicht „mag“. Aus diesen Impfkristallen wachsen dichte Schichten aus gleichmäßigem Lithiummetall. Gleichmäßige Schichten aus Lithiummetall sind für Batterieforscher von großem Interesse, da ihnen die die Batterieleistung beeinträchtigenden Spitzen, sogenannte Dendriten, fehlen. Die Bildung dieser Dendriten in Batterieanoden ist ein seit langem bestehendes Hindernis für das Schnellladen ultra-energiedichter Lithium-Metall-Batterien.
Dieser neue Ansatz, der von Ingenieuren der University of California San Diego geleitet wird, ermöglicht das Aufladen von Lithium-Metall-Batterien in etwa einer Stunde, eine Geschwindigkeit, die mit heutigen Lithium-Ionen-Batterien konkurrenzfähig ist. Die Ingenieure der UC San Diego veröffentlichten in Zusammenarbeit mit den Bildgebungsforschern der UC Irvine diesen Fortschritt, der auf die Entwicklung schnell aufladbarer Lithium-Metall-Batterien am 9. Februar 2023 abzielt Energie der Natur.
Um Lithium-Metall-Kristalle zu züchten, ersetzten die Forscher die allgegenwärtigen Kupferoberflächen auf der negativen Seite (der Anode) von Lithium-Metall-Batterien durch eine lithiphobe Nanokomposit-Oberfläche aus Lithiumfluorid (LiF) und Eisen (Fe). Unter Verwendung dieser lithiphoben Oberfläche für die Lithiumabscheidung bildeten sich Lithiumkristallkeime, und aus diesen Keimen wuchsen dichte Lithiumschichten – selbst bei hohen Laderaten. Das Ergebnis waren langlebige Lithium-Metall-Akkus, die schnell aufgeladen werden können.
„Die spezielle Nanokomposit-Oberfläche ist die Entdeckung“, sagte Ping Liu, Professor für Nanotechnik an der UC San Diego, der leitende Autor des neuen Papiers. „Wir haben die traditionelle Vorstellung, welche Art von Oberfläche benötigt wird, um Lithiumkristalle zu züchten, in Frage gestellt. Die vorherrschende Meinung ist, dass Lithium besser auf Oberflächen wächst, die es mag, also auf Oberflächen, die lithiophil sind. In dieser Arbeit zeigen wir, dass das nicht immer stimmt Das von uns verwendete Substrat mag kein Lithium. Es bietet jedoch zahlreiche Nukleationsstellen zusammen mit einer schnellen Lithiumbewegung auf der Oberfläche. Diese beiden Faktoren führen zum Wachstum dieser schönen Kristalle. Dies ist ein schönes Beispiel für eine wissenschaftliche Erkenntnis, die ein technisches Problem löst.“
Der neue Fortschritt unter der Leitung von Nanoingenieuren der UC San Diego könnte ein erhebliches Hindernis beseitigen, das die weit verbreitete Verwendung von energiedichten Lithium-Metall-Batterien für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge (EVs) und tragbare Elektronik behindert. Während Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer hohen Ladungsdichte ein großes Potenzial für Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronik haben, müssen die heutigen Lithium-Metall-Batterien extrem langsam geladen werden, um die Batterieleistung aufrechtzuerhalten und Sicherheitsprobleme zu vermeiden. Das langsame Laden ist notwendig, um die Bildung von die Batterieleistung beeinträchtigenden Lithiumdendriten zu minimieren, die sich bilden, wenn sich Lithiumionen mit Elektronen verbinden, um Lithiumkristalle auf der Anodenseite der Batterie zu bilden. Lithiumkristalle bauen sich auf, wenn der Akku aufgeladen wird, und die Lithiumkristalle lösen sich auf, wenn der Akku entladen wird.