14.01.2020 - The Pennsylvania State University

Neue Methode zur Untersuchung von Lithium-Dendriten könnte zu besseren und sichereren Batterien führen

Bei Lithium-Ionen-Batterien wachsen oft nadelartige Strukturen zwischen den Elektroden, die die Batterien kurzschließen und manchmal Brände verursachen können. Nun hat ein internationales Forscherteam einen Weg gefunden, diese Strukturen zu vergrößern und zu beobachten, um zu verstehen, wie man ihr Auftauchen stoppen oder verhindern kann.

"Es ist schwierig, die Keimbildung eines solchen Whiskers zu erkennen und sein Wachstum zu beobachten, weil es winzig ist", sagt Sulin Zhang, Professorin für Maschinenbau, Penn State. "Die extrem hohe Reaktivität von Lithium macht es auch sehr schwierig, seine Existenz experimentell zu untersuchen und seine Eigenschaften zu messen.

Lithium-Whisker und -Dendriten sind nadelartige, nur wenige hundert Nanometer dicke Strukturen, die von der Lithiumelektrode durch flüssige oder feste Elektrolyte zur positiven Elektrode wachsen können, wobei die Batterie kurzgeschlossen wird und manchmal ein Feuer verursachen kann.

Das gemeinsame Team aus China, Georgia Tech und Penn State züchtete erfolgreich Lithium-Whisker in einem Umwelt-Transmissionselektronenmikroskop (ETEM) unter Verwendung einer Kohlendioxid-Atmosphäre. Die Reaktion von Kohlendioxid mit Lithium bildet eine Oxidschicht, die zur Stabilisierung der Whisker  beiträgt.

Innovativ war der Einsatz einer Atomkraftmikroskopspitze (AFM) als Gegenelektrode und die integrierte ETEM-AFM-Technik, die eine gleichzeitige Darstellung des Whiskerwachstums und die Messung des Wachstumsspannungszustandes ermöglicht. Ist der Wachstumsstress zu hoch, würde er in den Festelektrolyten eindringen und den Feststoffelektrolyten zerbrechen, so dass die Schnurrhaare weiter wachsen und schließlich die Zelle kurzschließen würden.

"Jetzt, wo wir die Grenze des Wachstumsstresses kennen, können wir die Festelektrolyte entsprechend gestalten, um ihn zu verhindern", sagte Zhang. Lithium-Metall-basierte All-Solid-State-Batterien sind wegen der größeren Sicherheit und der höheren Energiedichte wünschenswert.

Diese neue Technik wird von der Mechanik- und Elektrochemie-Gemeinschaft begrüßt werden und in vielen anderen Anwendungen nützlich sein, sagte Zhang.

Als Nächstes wird das Team den Dendriten bei seiner Bildung gegen einen realistischeren Festkörperelektrolyten unter TEM betrachten, um genau zu sehen, was passiert.

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