Neue Entlademethode verbessert die Batterielebensdauer um bis zu 44 %

Von Rice University, 8. Juli 2023

Forscher der Rice University haben eine skalierbare Methode entwickelt, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien durch Prälithiierung zu verlängern. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der Siliziumanoden mit stabilisierten Lithiummetallpartikeln beschichtet und so die Batterielebensdauer um bis zu 44 % verlängert.

Das Potenzial von Siliziumanodenbatterien zur Transformation von Energiespeicherlösungen ist von entscheidender Bedeutung für die Verwirklichung von Klimazielen und die vollständige Ausschöpfung der Fähigkeiten von Elektrofahrzeugen.

Dennoch stellt der anhaltende Verlust von Lithiumionen in Siliziumanoden ein erhebliches Hindernis für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation dar.

Wissenschaftler der George R. Brown School of Engineering der Rice University haben eine leicht skalierbare Methode zur Optimierung der Prälithiierung entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der dazu beiträgt, den Lithiumverlust zu verringern und die Batterielebenszyklen zu verbessern, indem Siliziumanoden mit stabilisierten Lithiummetallpartikeln (SLMPs) beschichtet werden.

Quan Nguyen (links), Sibani Lisa Biswal und Mitarbeiter entwickelten eine Vorlithiierungstechnik, die dazu beiträgt, die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanoden zu verbessern. Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University

Das Rice-Labor der Chemie- und Biomolekularingenieurin Sibani Lisa Biswal hat herausgefunden, dass die Sprühbeschichtung der Anoden mit einer Mischung aus Partikeln und einem Tensid die Batterielebensdauer um 22 bis 44 % verlängert. Batteriezellen mit einem größeren Anteil der Beschichtung erreichten zunächst eine höhere Stabilität und Zyklenlebensdauer. Allerdings gab es einen Nachteil: Bei Volllastzyklen führte eine größere Menge der Partikelbeschichtung zu mehr Lithiumeinschlüssen, was dazu führte, dass die Batterie in nachfolgenden Zyklen schneller schwächelte.

Die Studie wurde in ACS Applied Energy Materials veröffentlicht.

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Ein Atom kann mit bis zu vier Lithiumionen Bindungen eingehen.

Quan Nguyen ist Absolvent der Chemie- und Biomolekulartechnik und Hauptautor der Studie. Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University

„Silizium ist eines dieser Materialien, das die Energiedichte für die Anodenseite von Lithium-Ionen-Batterien wirklich verbessern kann“, sagte Biswal. „Deshalb gibt es derzeit in der Batteriewissenschaft den Vorstoß, Graphitanoden durch Siliziumanoden zu ersetzen.“

Allerdings weist Silizium weitere Eigenschaften auf, die Herausforderungen mit sich bringen.

„Eines der Hauptprobleme bei Silizium besteht darin, dass es kontinuierlich eine sogenannte Festelektrolyt-Interphase oder SEI-Schicht bildet, die tatsächlich Lithium verbraucht“, sagte Biswal.

Die Schicht entsteht, wenn der Elektrolyt in einer Batteriezelle mit Elektronen und Lithiumionen reagiert, was zu einer Salzschicht im Nanometerbereich führt, die sich auf der Anode ablagert. Sobald die Schicht gebildet ist, isoliert sie den Elektrolyten von der Anode und verhindert so, dass die Reaktion fortgesetzt wird. Allerdings kann der SEI während der nachfolgenden Lade- und Entladezyklen brechen und bei seiner Neubildung die Lithiumreserve der Batterie irreversibel noch weiter erschöpfen.

Quan Nguyen (links) und Sibani Lisa Biswal. Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University

„Das Volumen einer Siliziumanode variiert, während die Batterie zyklisch betrieben wird, was den SEI zerstören oder auf andere Weise instabil machen kann“, sagte Quan Nguyen, Doktorand im Bereich Chemie- und Biomolekulartechnik und Hauptautor der Studie. „Wir möchten, dass diese Schicht während der späteren Lade- und Entladezyklen der Batterie stabil bleibt.“

Die von Biswal und ihrem Team entwickelte Prälithiierungsmethode verbessert die Stabilität der SEI-Schicht, was bedeutet, dass bei ihrer Bildung weniger Lithiumionen verbraucht werden.

„Prelithiation ist eine Strategie, die darauf abzielt, den Lithiumverlust zu kompensieren, der typischerweise bei Silizium auftritt“, sagte Biswal. „Sie können sich das als Grundierung einer Oberfläche vorstellen, etwa wenn Sie eine Wand streichen und zunächst eine Grundierung auftragen müssen, um sicherzustellen, dass Ihre Farbe haftet. Durch die Vorlithiierung können wir die Anoden „vorbereiten“, sodass die Batterien eine viel stabilere und längere Lebensdauer haben.“

Obwohl diese Partikel und die Prälithiierung nicht neu sind, konnte das Biswal-Labor den Prozess so verbessern, dass er sich problemlos in bestehende Batterieherstellungsprozesse integrieren lässt.

Quan Nguyen hält eine der Batterien in der Hand, die nach dem in der Studie beschriebenen Vorlithiierungsprotokoll zusammengebaut wurden. Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University

„Ein Aspekt des Prozesses, der definitiv neu ist und den Quan entwickelt hat, war die Verwendung eines Tensids, um die Partikel zu dispergieren“, sagte Biswal. „Das wurde noch nie zuvor berichtet und ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung. Anstatt zu verklumpen oder sich in verschiedenen Taschen innerhalb der Batterie anzusammeln, können sie gleichmäßig verteilt werden.“

Nguyen erklärte, dass das Mischen der Partikel mit einem Lösungsmittel ohne Tensid nicht zu einer gleichmäßigen Beschichtung führt. Darüber hinaus erwies sich die Sprühbeschichtung als besser für eine gleichmäßigere Verteilung als andere Methoden der Auftragung auf Anoden.

„Die Sprühbeschichtungsmethode ist mit der Herstellung in großem Maßstab kompatibel“, sagte Nguyen.

Die Kontrolle der Zyklenkapazität der Zelle ist für den Prozess von entscheidender Bedeutung.

„Wenn Sie die Kapazität, mit der Sie die Zelle betreiben, nicht kontrollieren, löst eine größere Menge an Partikeln diesen Lithium-Einfangmechanismus aus, den wir entdeckt und in der Arbeit beschrieben haben“, sagte Nguyen. „Aber wenn man die Zelle mit einer gleichmäßigen Verteilung der Beschichtung zyklisch laufen lässt, kommt es nicht zu Lithiumeinschlüssen.

„Wenn wir Möglichkeiten finden, das Einfangen von Lithium zu vermeiden, indem wir die Zyklusstrategien und die SLMP-Menge optimieren, könnten wir die höhere Energiedichte von Anoden auf Siliziumbasis besser nutzen.“

Referenz: „Prelithiation Effects in Enhancing Silicon-Based Anodes for Full-Cell Lithium-Ion Batteries Using Stabilized Lithium Metal Particles“ von Quan Anh Nguyen, Anulekha K. Haridas, Tanguy Terlier und Sibani Lisa Biswal, 1. Mai 2023, ACS Applied Energy Materials .DOI: 10.1021/acsaem.3c00713

Biswal ist Rices William M. McCardell-Professor für Chemieingenieurwesen, Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik und stellvertretender Dekan für Fakultätsentwicklung.

Die Studie wurde vom Universitätsforschungsprogramm der Ford Motor Co., der National Science Foundation und der Shared Equipment Authority in Rice finanziert.