Hintergrund:
Forscher am Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinesische Akademie der Wissenschaften, haben einen bedeutenden Durchbruch bei Festkörper-Lithiumbatterien erzielt, wodurch potenziell der Traum von kleineren elektronischen Geräten mit längerer Batterielebensdauer verwirklicht werden kann. Dieser Fortschritt wurde am 31. Juli in der internationalen Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.
Lithium-Ionen-Batterien, die in Mobiltelefonen, Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet werden, speichern und setzen Energie überwiegend über flüssige Elektrolyte frei. Wissenschaftler erforschen nun einen neuartigen Batterietyp – Festkörper-Lithiumbatterien. Diese verwenden Festelektrolyte anstelle von Flüssigkeiten, was sie deutlich sicherer macht.
Obwohl Festkörper-Lithiumbatterien ideal erscheinen, steht ihre Entwicklung vor Herausforderungen. Hauptsächlich erschweren die unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien innerhalb der Kathode der Batterie eine perfekte Kompatibilität, was zu mehreren Interface-Problemen führt, die die Energiedichte und Lebensdauer beeinträchtigen. Um dies zu beheben, entwickelte das Forschungsteam ein neuartiges Material: ein homogenisiertes Kathodenmaterial (Lithium-Titan-Germanium-Phosphorselenid).
Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien bietet diese Verbindung Vorteile, darunter hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Energiedichte und längere Lebensdauer:
Hohe elektrische Leitfähigkeit:Dieses neuartige Material weist sowohl eine hohe Ionen- als auch eine hohe elektronische Leitfähigkeit auf, die herkömmliche Batteriematerialien (geschichtete Oxidkathoden) um mehr als das 1000-fache übertrifft. Dies ermöglicht reibungslose Lade- und Entladevorgänge ohne die Verwendung von leitfähigen Zusätzen, wodurch die Gesamtleistung der Batterie erheblich verbessert wird.
Hohe Entladekapazität:Das neue Material weist eine hohe Entladekapazität von 250 mAh pro Gramm auf und übertrifft damit die derzeit verwendeten High-Nickel-Kathodenmaterialien. Bei gleichem Gewicht oder Volumen können Batterien, die dieses Material enthalten, mehr elektrische Energie speichern. Dies ermöglicht nicht nur einen längeren Dauerbetrieb ohne häufiges Aufladen, wodurch die Ausdauer erhöht wird, sondern reduziert auch die Batteriegröße und erleichtert die Konstruktion kompakterer Geräte.
Geringe Volumenänderung:Während der Lade- und Entladevorgänge weist das neue Material eine Volumenänderung von lediglich 1,2 % auf, was deutlich geringer ist als die 50 %, die bei herkömmlichen geschichteten Oxidkathodenmaterialien beobachtet werden. Diese minimale Volumenänderung trägt zur Aufrechterhaltung der strukturellen Stabilität bei und verlängert somit die Betriebsdauer der Batterie.
Hohe Energiedichte:Festkörper-Lithiumbatterien, die dieses neuartige Material verwenden, erreichen eine Energiedichte von 390 Wh/kg, was einer 1,3-fachen Steigerung gegenüber zuvor berichteten Langzyklus-Festkörper-Lithiumbatterien entspricht.
Längere Lebensdauer:Festkörper-Lithiumbatterien, die dieses Material verwenden, erreichen über 10.000 Zyklen. Nach 5.000 Ladezyklen behält die Batterie 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität und liefert ausreichend Strom für längere Zeiträume.
Diese Forschung liefert entscheidende technische Unterstützung für die Entwicklung von Energiespeichern mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer und bietet sichere und langlebige Stromquellen für neue Energiefahrzeuge, Energiespeichernetzwerke und Tiefsee-/Weltraumausrüstung. Sie hat erhebliche Auswirkungen auf die Weiterentwicklung neuartiger Energiespeichersysteme.