Lithiumbatterien sind zwar vielversprechend für die Energiezukunft, stehen jedoch vor großen Herausforderungen in Bezug auf ihre Haltbarkeit und Sicherheit. Forscher suchen ständig nach Lösungen, um die Lebensdauer von Lithiumanoden zu verlängern, einem Schlüsselmaterial für Batterien der nächsten Generation. Eine aktuelle Innovation könnte in diesem Bereich bahnbrechend sein.
Forscher des KAIST-Instituts haben kürzlich Fortschritte bei der Verlängerung der Nutzungsdauer von Lithiumanoden bekannt gegeben. Ihre von Professor Il-Doo Kim vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Zusammenarbeit mit Professor Jiyoung Lee von der Ajou-Universität entwickelte Methode basiert auf der Verwendung hohler, umweltfreundlicher Nanofasern zum Schutz der Anoden.
Am 2. Dezember gab das KAIST-Institut unter der Leitung von Präsident Kwang Hyung Lee bekannt, dass seine Arbeit das Wachstum von Lithium stabilisiert und die Langlebigkeit von Lithium-Metall-Batterien erheblich verbessert hat.
Die Grenzen herkömmlicher Schutztechniken
Herkömmliche Schutzschichttechnologien, bei denen eine Beschichtung auf Lithium aufgetragen wird, um eine künstliche Grenzfläche mit dem Elektrolyten zu bilden, nutzen häufig toxische Prozesse und teure Materialien. Diese Methoden führten nur zu begrenzten Verbesserungen der Lebensdauer von Lithiumanoden.
Um diese Hindernisse zu überwinden, schlug das Team von Professor Kim einen neuen Ansatz mit hohlen Nanofasern vor. Diese durch ein umweltfreundliches Elektrospinnverfahren hergestellten Nanofasern verwenden aus Pflanzen gewonnenes Guarkernmehl als Hauptmaterial und Wasser als einziges Lösungsmittel.
Der Elektrospinnprozess und Guarkernmehl
Elektrospinnen ist eine Technik, bei der Polymerlösungen einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, wodurch Endlosfasern mit Durchmessern zwischen einigen Nanometern und mehreren Mikrometern hergestellt werden können. Guarkernmehl, ein natürliches Polymer, das hauptsächlich aus Monosacchariden besteht, reguliert durch seine oxidierten funktionellen Gruppen die Wechselwirkungen mit Lithiumionen.
Die schützende Nanofaserschicht kontrolliert wirksam reversible chemische Reaktionen zwischen dem Elektrolyten und Lithiumionen. Die Hohlräume in den Fasern verhindern die zufällige Ansammlung von Lithiumionen auf der Metalloberfläche und stabilisieren so die Grenzfläche zwischen Lithium und Elektrolyt.
Leistung und Haltbarkeit
Die mit dieser neuen Schutzschicht erzielten Ergebnisse sind beeindruckend. Die Lebensdauer von Lithiummetallanoden hat sich im Vergleich zu herkömmlichen Anoden um fast 750 % verlängert. Die Akkus behielten nach 300 Lade- und Entladezyklen 93,3 % ihrer Kapazität und lieferten eine erstklassige Leistung.
Darüber hinaus bestätigten die Forscher, dass sich diese natürliche Schutzschicht im Boden innerhalb von etwa einem Monat vollständig zersetzt, was ihre ökologische Natur während ihres gesamten Lebenszyklus beweist.
Professor Il-Doo Kim erklärte: „ Durch die Nutzung physikalischer und chemischer Schutzfunktionen konnten wir reversible Reaktionen zwischen Lithiummetall und Elektrolyt effizienter steuern und das Dendritenwachstum unterdrücken, was zu Lithiumanoden mit beispiellosen Langlebigkeitseigenschaften führte. »
Er fügte hinzu: „ Da die Umweltbelastung durch die Batterieproduktion und -entsorgung mit der wachsenden Nachfrage nach Batterien immer wichtiger wird, wird diese wasserbasierte Herstellungsmethode mit biologisch abbaubaren Eigenschaften einen großen Beitrag zur Kommerzialisierung einer neuen umweltfreundlichen Batteriegeneration leisten. »
Artikel: „Überwindung chemischer und mechanischer Instabilitäten in Lithiummetallanoden mit einer nachhaltigen und umweltfreundlichen künstlichen SEI-Schicht“ – DOI: 10.1002/adma.202470373
