Eine flüssige Lösung für das Dendritenwachstum in Lithium-Metall-Batterien

Das Team um außerordentlichen Professor Wan Jiandi vom Department of Chemical Engineering der University of California, Davis, hat in der Zeitschrift Scientific Progress einen neuen Artikel veröffentlicht, in dem er eine mögliche Lösung für dendritisches Wachstum in wiederaufladbaren Lithium-Metall-Batterien vorschlägt. In dieser Arbeit zeigte Wans Team, dass Ionen, die in der Nähe der Kathode fließen, die Sicherheit und Lebensdauer von wiederaufladbaren Batterien der nächsten Generation verbessern können.

Lithium-Metall-Batterien verwenden Lithiummetall als Anode. Diese Batterien haben eine hohe Ladungsdichte und potenzielle Energie, die doppelt so hoch ist wie die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien, aber die Sicherheit ist ein Hauptanliegen. Beim Laden werden einige Ionen auf der Kathodenoberfläche zu metallischem Lithium reduziert und bilden unregelmäßige dendritische Mikrostrukturen – Dendriten –, die schließlich zu Kurzschlüssen oder sogar Explosionen führen können.

Die Theorie besagt, dass der Wettbewerb zwischen der Massentransferrate und der Reduktionsrate von Lithiumionen in der Nähe der Kathodenoberfläche zum Wachstum von Dendriten führt. Wenn die Reduktionsrate der Ionen viel schneller ist als der Massentransfer, entsteht in der Nähe der Kathode eine neutrale Lücke, die sogenannte Raumladungsschicht, die keine Ionen enthält. Es wird angenommen, dass die Instabilität dieser Schicht zum Wachstum von Dendriten führt. Eine Verringerung oder Eliminierung kann daher das Wachstum von Dendriten verringern und dadurch die Lebensdauer der Batterie verlängern.

Wans Idee besteht darin, den Ionen die Möglichkeit zu geben, ihre Ladung wiederherzustellen und diese Lücke über einen Mikrofluidikkanal durch die Kathode zu schließen. In der Arbeit erläuterte das Team seine Proof-of-Concept-Tests und stellte fest, dass dieser Ionenfluss das Dendritenwachstum um bis zu 99 % reduzieren kann.

Für Wan ist diese Studie spannend, da sie die Wirksamkeit mikrofluidischer Anwendungen bei Batterieproblemen demonstriert und den Weg für zukünftige Forschung auf diesem Gebiet ebnet.

„Durch diese Grundlagenforschung und mikrofluidische Methoden können wir den Einfluss der Strömung auf das Dendritenwachstum quantitativ verstehen“, sagte er. „Noch haben nicht viele Gruppen hierzu Untersuchungen durchgeführt.“

Obwohl es unwahrscheinlich ist, Mikrofluidik direkt in eine echte Batterie zu integrieren, sucht Wans Team nach alternativen Methoden, um die Grundprinzipien dieser Studie anzuwenden, indem es eine lokale Strömung in der Nähe der Kathodenoberfläche einführt, um Kationen zu kompensieren und die Raumladungsschicht zu beseitigen.

Er sagte: „Wir freuen uns, neue Anwendungen dieser Forschung zu erkunden.“ „Wir haben damit begonnen, Kathodenoberflächen so zu gestalten, dass sie Konvektion einführen.“