Solid-State-Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien
Das Interesse an alternativen Energieumwandlungsverfahren hat aufgrund der fortschreitenden Erschöpfung konventioneller fossiler Brennstoffe und des jüngsten Trends zur Dekarbonisierung zugenommen. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) wurden ursprünglich 1991 von Sony Co. für den kommerziellen Markt entwickelt, um tragbare Elektronikgeräte mit Strom zu versorgen. Seitdem haben LIBs eine enorme Verbesserung erfahren und sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken, von Smartwatches bis hin zu Elektroautos. Die Kathode einer LIB liefert Li-Ionen, während die Anode während des Ladevorgangs Li-Ionen speichert. Die Li-Ionen werden von einem Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden transportiert. Die Sicherheit von LIBs wird aufgrund der instabilen Wechselwirkung zwischen dem organischen Elektrolyten und den Anoden grundsätzlich in Frage gestellt. Darüber hinaus steigen die Anforderungen an Energiedichte, Speicherkapazität, thermische Stabilität und Herstellungskosten ständig. Viele dieser Herausforderungen lassen sich durch den Ersatz der bestehenden flüssigen, organischen Elektrolyten durch Festelektrolyte bewältigen.
Festelektrolyte für LIBs werden im Allgemeinen in drei Hauptkategorien unterteilt: 1. Keramik (z. B. Granat, LZZO, NASICON, LATP usw.), 2. Polymer (z. B. PEO) und 3. Verbundwerkstoff [z. B. PEO:LLZO]. Festelektrolyte haben den Hauptvorteil, dass sie nicht brennbar sind, nicht korrodieren und keine internen Kurzschlüsse verursachen. Sie dienen auch als interne Trennschicht zwischen den Elektroden und verhindern gleichzeitig das Wachstum von Dendriten. Die meisten der oben genannten Eigenschaften finden sich in keramischen Festelektrolyten.
In unserer Gruppe konzentrieren wir uns auf die Synthese von LLZO, LATP und LYZP für LIBs mittels Sprühflammensynthese (SFS).
SFS ist eine gut untersuchte Alternative (zu Festkörperreaktionen, Sol-Gel-Reaktionen) zur Synthese von Keramik-/Oxidmaterialien als Pulver/Dünnschichten. Als kontinuierliches Syntheseverfahren können wichtige Materialeigenschaften wie Phasenzusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Oberfläche, stöchiometrisches Verhältnis usw. während der gesamten Reaktion konstant gehalten werden. Als Vorläufer verwenden wir kostengünstige und leicht verfügbare Nitrate. Als Lösungsmittel verwenden wir beispielsweise Ethanol oder unpolares Toluol. Je nach Beschaffenheit der gewünschten Materialien können die Vorläufer, Lösungsmittel und Brennstoffe (z. B. Methan, Sauerstoffflamme), der Reaktordruck usw. angepasst werden. In unserem Labor haben wir beispielsweise Lithiumnitrat, Aluminiumnitrat, Lanthanacetat und Zirkoniumtetrapropoxid in einer Propylenglykollösung verwendet, um LLZO zu synthetisieren. [1]
Obwohl LIBs im Vergleich zur aktuellen Marktnachfrage viel leisten, veranlassen die begrenzten Li-Vorkommen in der Erdkruste, die hohen Kosten usw. die Fachwelt dazu, nach anderen alternativen Quellen wie Na-Ionen-Batterien (SIBs) zu suchen.
[1] M. Y. Ali, H. Orthner, H. Wiggers, Spray-flame synthesis (SFS) of lithium lanthanum zirconate (LLZO) solid electrolyte materials 14 (2021) 3472, DOI.org/10.3390/ma14133472
Anodenmaterialien auf Siliziumbasis für Lithium-Ionen-Batterien
Angesichts der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für mobile Geräte und Elektromobilität sind Batteriematerialien mit hoher Energiedichte von großem Interesse, um das Gesamtgewicht und die Größe zu reduzieren und die Kapazität und Langzeitstabilität zu erhöhen. Der teilweise oder sogar vollständige Ersatz von Graphit, dem aktiven Bestandteil auf der Anodenseite von Lithium-Ionen-Batterien, durch Silizium ist die kurzfristige Option, um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Durch den teilweisen Ersatz von Graphit (spezifische Kapazität von 372 mAh/g), das nach wie vor das am häufigsten verwendete Anodenmaterial ist, durch Silizium (3579 mAh/g) kann die Anodenkapazität deutlich erhöht werden. Um die erforderliche elektrochemische und mechanische Stabilität zu gewährleisten, sollte die Siliziumpartikelgröße vorzugsweise auf den Submikronbereich begrenzt werden. Auf der anderen Seite sollten die Siliziumpartikel aufgrund unerwünschter, aber unvermeidbarer parasitärer Oberflächenreaktionen eine geringe spezifische Oberfläche aufweisen, um hohe Coulomb-Effizienzen im ersten Zyklus zu ermöglichen.
Bei groben Siliziumpartikeln kann die mechanische Belastung während des Ladens und Entladens nicht ausgeglichen werden, und die Partikel reißen aufgrund der enormen Volumenausdehnung von bis zu 300 % während der Lithiierung. Das Reißen führt zu einer schlechten Zyklusleistung, da immer wieder neue Oberflächen entstehen, die zu zusätzlichen parasitären Reaktionen führen, wodurch die Gesamtleistung und die Integrität der Elektrode verloren gehen. Dies kann durch die Verwendung von amorphen Nanopartikeln anstelle von kristallinen Nanopartikeln gemildert werden. Außerdem ist die Größenkontrolle von Silizium-Nanomaterialien für Batterieanwendungen von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus ist die Passivierung/Funktionalisierung der Oberfläche eine weitere Möglichkeit, unerwünschte Oberflächenreaktionen zu reduzieren.
Heißwandreaktorsynthese:
In der Gruppe Nanopartikelsynthese werden verschiedene Materialien entwickelt, um diese Probleme zu lösen. Beispielsweise bilden SiNx-Materialien während des Zyklus eine stabile Matrixphase, wodurch die Lebensdauer der Batterie erheblich verlängert wird. Auch a-Si:C-Materialien werden untersucht, die bei hohem Kohlenstoffgehalt ein ähnliches Verhalten zeigen. Darüber hinaus können auch reine Siliziumpartikel oder dotierte Materialien hergestellt und für Batterieanwendungen optimiert werden. Alle diese Materialien können bereits in unseren Labors im Kilogrammmaßstab hergestellt werden, und die Skalierung auf industriellen Maßstab wurde durch eine Kooperation demonstriert. Darüber hinaus sollen diese Materialien auch in Festkörperbatterien eingesetzt werden.
Plasmareaktorsynthese:
Die Kosten pro Kilogramm sind eine sehr wichtige Eigenschaft, wenn es um Materialien für Anwendungen geht. In Hochfrequenzplasmen können Silizium-Nanopartikel direkt aus metallurgischem Silizium hergestellt werden. Die Verwendung dieses kostengünstigen Ausgangsmaterials bietet eine gute Möglichkeit für eine kosteneffiziente und skalierbare Synthesemethode eines genau definierten Nanomaterials für Batterieanwendungen.