Damit Batterien ohne äußeren Druck funktionieren

UC San Diego Labor für Energiespeicherung und -umwandlung / Diyi Cheng

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Ein Team von Batterieforschern unter der Leitung der University of California San Diego und der University of Chicago hat ein Material namens Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) entwickelt, das in funktionellen Batterietests eine gleichmäßig dichte elektrochemische Abscheidung von Lithiummetall unter Null fördert externer Druck.

Dies geht aus einer am Donnerstag veröffentlichten Pressemitteilung der Institutionen hervor.

„LiPON ist ein Dünnfilm-Festkörperelektrolyt, der Lithiumionen leitet und vielversprechend für die Kombination mit einer breiten Palette von Elektrodenmaterialien für die Lithiumbatterieindustrie der Zukunft ist. Allerdings haben bestehende Methoden zur Herstellung von LiPON die Forscher daran gehindert, das Material vollständig zu verstehen. Jetzt hat das Team einen Weg gefunden, diesen vielversprechenden Festkörperelektrolyten in einer freistehenden Form herzustellen, die eine umfassendere Untersuchung von LiPON ermöglicht“, heißt es in der Pressemitteilung.

„Der neue Ansatz zur Herstellung von LiPON hat auch die Tür für die Verwendung dieses Festkörperelektrolyten geöffnet, um Lithium-Metall-Festkörperbatterien zu ermöglichen, die unter minimalem Außendruck arbeiten können.“

Die Wissenschaftler konzipierten außerdem eine neue Methode zur Herstellung von LiPON-Filmen in freistehender Form, indem sie einen flexiblen und transparenten freistehenden LiPON-Film (FS-LiPON) schufen, der mit einer breiten Palette spektroskopischer Techniken kompatibel ist. Diese Methode lieferte neue Erkenntnisse, thermische Eigenschaften und mechanische Eigenschaften.

Das Forschungsteam implementierte die neue freistehende Version des Festkörperelektrolyten auch in funktionellen Batterietests und berichtete, dass der Dünnschicht-FS-LiPON eine gleichmäßig dichte elektrochemische Abscheidung von Lithiummetall ohne äußeren Druck fördert. Dieses Ergebnis bietet wertvolle Hinweise zur Schnittstellentechnik in Festkörperbatterien.

LiPON-basierte Dünnschichtbatterien haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, beispielsweise in Wearables und anderen kompakten elektronischen Geräten mit einem riesigen Markt. „Der in dieser Arbeit produzierte FS-LiPON-Film ermöglichte eingehende Diskussionen über Grenzflächenchemie, Ionendiffusion und Grenzflächentechnik, die sowohl Licht auf die Grundlagen als auch Anwendungen von LiPON-Materialien werfen und der Entwicklung von Lithium-Festkörperbatterien in vielerlei Hinsicht zugute kommen könnten.“ Wege“, heißt es in der Pressemitteilung abschließend.

Diese Arbeit wurde am Donnerstag in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Studienzusammenfassung:

Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) ist ein amorpher Festelektrolyt, der in den letzten drei Jahrzehnten umfassend untersucht wurde. Trotz des Versprechens, es mit verschiedenen Elektrodenmaterialien zu kombinieren, schränkten die Steifigkeit und Luftempfindlichkeit von LiPON das Verständnis seiner intrinsischen Eigenschaften ein. Hier berichten wir über eine Methode zur Synthese von LiPON in freistehender Form, die eine bemerkenswerte Flexibilität und einen Young-Modul von ∼33 GPa aufweist. Wir verwenden Festkörper-Kernspinresonanz und Differentialscanningkalorimetrie, um die Chemie der Li/LiPON-Grenzfläche und das Vorhandensein einer genau definierten LiPON-Glasübergangstemperatur von 207 °C quantitativ aufzudecken. Durch die Kombination von Grenzflächenspannung und einer Goldkeimschicht zeigt unser freistehendes LiPON eine gleichmäßig dichte Ablagerung von Lithiummetall ohne die Hilfe von äußerem Druck. Dieser freistehende LiPON-Film bietet Möglichkeiten zur Untersuchung grundlegender Eigenschaften von LiPON für die Schnittstellentechnik für Festkörperbatterien.