Die Rolle des Glühens bei der Verbesserung der Leistung von All-Solid-State-Lithiumbatterien

Festkörper-Lithiumbatterien sind zum neuen Trend in der Materialwissenschaft und -technik geworden, da herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien die Standards für fortschrittliche Technologien wie Elektrofahrzeuge, die hohe Energiedichten, schnelles Laden und lange Ladezyklen erfordern, nicht mehr erfüllen können Leben. Festkörperbatterien, die einen festen Elektrolyten anstelle eines flüssigen Elektrolyten wie herkömmliche Batterien verwenden, erfüllen nicht nur diese Standards, sondern sind auch vergleichsweise sicherer und praktischer, da sie in kurzer Zeit aufgeladen werden können.

Allerdings bringt der Festelektrolyt seine eigene Herausforderung mit sich. Es stellt sich heraus, dass die Grenzfläche zwischen der positiven Elektrode und dem Festelektrolyten einen großen elektrischen Widerstand aufweist, dessen Ursprung nicht genau geklärt ist. Darüber hinaus erhöht sich der Widerstand, wenn die Elektrodenoberfläche Luft ausgesetzt wird, was die Kapazität und Leistung der Batterie beeinträchtigt. Obwohl mehrere Versuche unternommen wurden, den Widerstand zu senken, gelang es keinem, ihn auf 10 Ω·cm zu senken² (Ohm-Zentimeter-Quadrat), der gemeldete Grenzflächenwiderstandswert, wenn er keiner Luft ausgesetzt ist.

Nun, in einer aktuellen Studie veröffentlicht in ACS Applied Materials & Interfaces, ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Taro Hitosugi vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, und Shigeru Kobayashi, einem Doktoranden am Tokyo Tech, könnte dieses Problem endlich gelöst haben. Durch die Entwicklung einer Strategie zur Wiederherstellung des niedrigen Grenzflächenwiderstands und die Aufklärung des Mechanismus, der dieser Reduzierung zugrunde liegt, hat das Team wertvolle Einblicke in die Herstellung von Hochleistungs-Festkörperbatterien geliefert. Die Studie war das Ergebnis einer gemeinsamen Forschung von Tokyo Tech, dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und der Yamagata University.

Zunächst bereitete das Team Dünnschichtbatterien vor, die aus einer negativen Lithiumelektrode, einem LiCoO, bestehen₂ positive Elektrode und ein Li₃PO₄ Festelektrolyt. Bevor die Herstellung einer Batterie abgeschlossen wurde, stellte das Team das LiCoO frei₂ Oberfläche zu Luft, Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O.₂), Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂) und Wasserdampf (H₂O) für 30 Minuten.

Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass die Exposition gegenüber N₂, The₂, CO₂, und H₂Die Batterieleistung wurde im Vergleich zu einer nicht exponierten Batterie nicht beeinträchtigt. „Nur H₂O-Dampf baut das Li stark ab₃PO₄ – LiCoO₂ Grenzfläche und erhöht ihren Widerstand drastisch auf einen Wert, der mehr als zehnmal höher ist als der der unbelichteten Grenzfläche“, sagt Prof. Hitosugi.

Als nächstes führte das Team einen Prozess namens „Glühen“ durch, bei dem die Probe in Batterieform, also mit abgeschiedener negativer Elektrode, eine Stunde lang einer Wärmebehandlung bei 150 °C unterzogen wurde. Erstaunlicherweise reduzierte sich dadurch der Widerstand auf 10.3 Ω·cm², vergleichbar mit dem der unbelichteten Batterie!

Mithilfe numerischer Simulationen und modernster Messungen stellte das Team anschließend fest, dass die Verringerung auf die spontane Entfernung von Protonen aus dem LiCoO zurückzuführen ist₂ Struktur beim Glühen.

„Unsere Studie zeigt, dass Protonen im LiCoO₂ Struktur spielt eine wichtige Rolle im Genesungsprozess. Wir hoffen, dass die Aufklärung dieser mikroskopischen Grenzflächenprozesse dazu beitragen wird, das Anwendungspotenzial von Festkörperbatterien zu erweitern“, schließt Prof. Hitosugi.