Siliziumanodenbatterien haben das Potenzial, die Energiespeicherfähigkeiten zu revolutionieren, was für die Erreichung der Klimaziele und die Erschließung des vollen Potenzials von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung ist.
Der irreversible Abbau von Lithiumionen in Siliziumanoden stellt jedoch ein großes Hindernis für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation dar.
Wissenschaftler der George R. Brown School of Engineering der Rice University haben eine leicht skalierbare Methode zur Optimierung der Prälithiierung entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der dazu beiträgt, den Lithiumverlust zu verringern und die Batterielebenszyklen zu verbessern, indem Siliziumanoden mit stabilisierten Lithiummetallpartikeln (SLMPs) beschichtet werden.
Das Rice-Labor der Chemie- und Biomolekularingenieurin Sibani Lisa Biswal hat herausgefunden, dass die Sprühbeschichtung der Anoden mit einer Mischung aus Partikeln und einem Tensid die Batterielebensdauer um 22 bis 44 % verlängert. Batteriezellen mit einem größeren Anteil der Beschichtung erreichten zunächst eine höhere Stabilität und Zyklenlebensdauer. Allerdings gab es einen Nachteil: Bei Volllastzyklen führte eine größere Menge der Partikelbeschichtung zu mehr Lithiumeinschlüssen, was dazu führte, dass die Batterie in nachfolgenden Zyklen schneller schwächelte.
Die Studie ist veröffentlicht in ACS Angewandte Energiematerialien.
Der Ersatz von Graphit durch Silizium in Lithium-Ionen-Batterien würde deren Energiedichte deutlich verbessern? die gespeicherte Energiemenge im Verhältnis zu Gewicht und Größe? Denn Graphit, das aus Kohlenstoff besteht, kann weniger Lithiumionen verpacken als Silizium. Für jedes einzelne Lithium-Ion werden sechs Kohlenstoffatome benötigt, während nur ein Siliziumatom bis zu vier Lithium-Ionen binden kann.
„Silizium ist eines dieser Materialien, das die Energiedichte für die Anodenseite von Lithium-Ionen-Batterien wirklich verbessern kann“, sagte Biswal. „Deshalb gibt es derzeit in der Batteriewissenschaft den Vorstoß, Graphitanoden durch Siliziumanoden zu ersetzen.“
Allerdings weist Silizium weitere Eigenschaften auf, die Herausforderungen mit sich bringen.
„Eines der Hauptprobleme bei Silizium besteht darin, dass es kontinuierlich eine sogenannte Festelektrolyt-Interphase oder SEI-Schicht bildet, die tatsächlich Lithium verbraucht“, sagte Biswal.
Die Schicht entsteht, wenn der Elektrolyt in einer Batteriezelle mit Elektronen und Lithiumionen reagiert, was zu einer Salzschicht im Nanometerbereich führt, die sich auf der Anode ablagert. Sobald die Schicht gebildet ist, isoliert sie den Elektrolyten von der Anode und verhindert so, dass die Reaktion fortgesetzt wird. Allerdings kann der SEI während der nachfolgenden Lade- und Entladezyklen brechen und bei seiner Neubildung die Lithiumreserve der Batterie irreversibel noch weiter erschöpfen.
„Das Volumen einer Siliziumanode variiert, während die Batterie zyklisch betrieben wird, was den SEI zerstören oder auf andere Weise instabil machen kann“, sagte Quan Nguyen, Doktorand im Bereich Chemie- und Biomolekulartechnik und Hauptautor der Studie. „Wir möchten, dass diese Schicht während der späteren Lade- und Entladezyklen der Batterie stabil bleibt.“
Die von Biswal und ihrem Team entwickelte Prälithiierungsmethode verbessert die Stabilität der SEI-Schicht, was bedeutet, dass bei ihrer Bildung weniger Lithiumionen verbraucht werden.
„Prelithiation ist eine Strategie, die darauf abzielt, den Lithiumverlust zu kompensieren, der typischerweise bei Silizium auftritt“, sagte Biswal. „Man kann sich das so vorstellen, als würde man eine Oberfläche grundieren, etwa wenn man eine Wand streicht und zunächst eine Grundierung auftragen muss, um sicherzustellen, dass die Farbe haftet. Durch die Vorlithiierung können wir die Anoden „grundieren“, damit die Batterien eine… viel stabiler, längere Lebensdauer.“
Obwohl diese Partikel und die Prälithiierung nicht neu sind, konnte das Biswal-Labor den Prozess so verbessern, dass er sich problemlos in bestehende Batterieherstellungsprozesse integrieren lässt.
„Ein Aspekt des Prozesses, der definitiv neu ist und den Quan entwickelt hat, war die Verwendung eines Tensids, um die Verteilung der Partikel zu unterstützen“, sagte Biswal. „Davon wurde noch nie berichtet, und es ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung. Anstatt also zu verklumpen oder sich in verschiedenen Taschen innerhalb der Batterie anzusammeln, können sie gleichmäßig verteilt werden.“
Nguyen erklärte, dass das Mischen der Partikel mit einem Lösungsmittel ohne Tensid nicht zu einer gleichmäßigen Beschichtung führt. Darüber hinaus erwies sich die Sprühbeschichtung als besser für eine gleichmäßigere Verteilung als andere Methoden der Auftragung auf Anoden.
„Die Sprühbeschichtungsmethode ist mit der Herstellung in großem Maßstab kompatibel“, sagte Nguyen.
Die Kontrolle der Zyklenkapazität der Zelle ist für den Prozess von entscheidender Bedeutung.
„Wenn Sie die Kapazität, mit der Sie die Zelle betreiben, nicht kontrollieren, löst eine größere Menge an Partikeln diesen Lithium-Einfangmechanismus aus, den wir entdeckt und in der Arbeit beschrieben haben“, sagte Nguyen. „Aber wenn man die Zelle mit einer gleichmäßigen Verteilung der Beschichtung zyklisch laufen lässt, kommt es nicht zu Lithiumeinschlüssen.“
„Wenn wir Möglichkeiten finden, das Einfangen von Lithium zu vermeiden, indem wir die Zyklenstrategien und die SLMP-Menge optimieren, könnten wir die höhere Energiedichte von Anoden auf Siliziumbasis besser nutzen.“
Biswal ist Rices William M. McCardell-Professor für Chemieingenieurwesen, Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik und stellvertretender Dekan für Fakultätsentwicklung.
Die Forschung wurde vom Universitätsforschungsprogramm der Ford Motor Co., der National Science Foundation (1842494, CBET-1626418) und der Shared Equipment Authority in Rice unterstützt.
