Hybridkeramik

Jan 07, 2024

Zukünftige Generationen von Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien auf der Basis von Hybrid-Keramik-Polymer-Elektrolyten könnten das Potenzial für eine größere Energiespeicherung, schnelleres Aufladen sowie eine höhere elektrochemische und thermische Stabilität bieten – und gleichzeitig viele der technologischen Herausforderungen überwinden, die mit früheren Festkörperbatterien verbunden waren .

Am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) arbeiten Forscher daran, ihr grundlegendes Verständnis dieser Hybridelektrolyte zu erweitern, der Komponente, die Ladung zwischen Elektroden überträgt, während die Batterien Systeme wie Elektrofahrzeuge (EVs) antreiben – und dann wieder aufgeladen werden. Lithium-Ionen-Batterien, die in heutigen Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind, basieren auf flüssigen Elektrolyten, die bei Beschädigung anfällig für thermisches Durchgehen und Feuer sind.

„Wir haben gezeigt, dass wir diese hybriden Festkörperelektrolyte herstellen und in Knopfzellen einbauen können, um hohe Leistung und hohe Stabilität zu demonstrieren“, sagte Ilan Stern, ein leitender Forschungswissenschaftler, der die Batterieforschung am Georgia Tech Research Institute leitet ( GTRI), die Organisation für angewandte Forschung der Georgia Tech. „Wir haben den Grundstein gelegt, um zu zeigen, dass wir auf Basis dieser Keramik-Polymer-Hybride Innovationen bei Festkörperbatterien entwickeln können. Unser nächster Schritt besteht darin, die Technologie in Pouch-Zellen zu integrieren, den Batterietyp, der in Elektrofahrzeugen verwendet wird.“

Die GTRI-Forscher arbeiten mit Kollegen der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, der School of Materials Science and Engineering und dem Strategic Energy Institute der Georgia Tech an der Erforschung eines Elektrolyten namens Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphat (LAGP). Eine als Poly-DOL bekannte Polymerkomponente umgibt den LAGP-Elektrolyten und sorgt für eine interne Ionenleitfähigkeit, die weit über die bestehender Keramikelektrolyte hinausgeht – ohne die Nachteile brennbarer Flüssigkeiten. Das Fertigungsteam und die akademische Zusammenarbeit werden von Jinho Park, einem GTRI-Forschungswissenschaftler, geleitet. Die Synthese der LAGP-Keramik wird von Jason Nadler, einem leitenden Forschungswissenschaftler des GTRI, geleitet.

Stern beschreibt herkömmliche Keramikelektrolyte als ähnlich wie Bonbons – man denke an M&Ms –, die in den Raum zwischen Batterieanode und -kathode gegossen werden. Die harten Keramiken bieten Vorteile in Bezug auf Sicherheit und Energiespeicherung, sind jedoch in ihrem Kontakt mit den Elektroden zur Übertragung ionischer Ladungen begrenzt. Durch die Zugabe des Polymers wird der Grenzflächenkontakt zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten erheblich verbessert, während die meisten Vorteile der Keramik erhalten bleiben.

„Die elektrochemische Stabilität, die thermische Stabilität und die mechanische Stabilität werden die Hauptunterschiede zwischen den flüssigen Elektrolyten und diesen Hybriden sein“, sagte er. „Wir nutzen wirklich das Beste aus beiden Welten. Da Festkörperbatterien die Verwendung einer Li-Metall-Anode ermöglichen, ist die Obergrenze für die Kapazität deutlich höher, sodass wir letztendlich einen dramatischen Anstieg der Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien erleben sollten.“ Li-Ionen-Batterien auf Basis flüssiger Elektrolyte.“

Der Hybrid-Keramik-Polymer-Elektrolyt sieht aus wie ein Hockey-Puck, ist jedoch widerstandsfähiger gegen Beschädigungen als reine Keramik. „Es wird sicherlich viel nachsichtiger sein als eine Keramik“, sagte Stern. „Selbst wenn Mikrorisse entstehen, bildet das Polymer das Gerüst, um die Integrität zu gewährleisten und es strukturell zusammenzuhalten.“

Feststoffbatterien werden noch nicht kommerziell genutzt, aber mindestens ein Hersteller von Elektrofahrzeugen plant, sie in den nächsten Jahren in Fahrzeuge einzubauen, da die Batteriehersteller weiterhin Verbesserungen vornehmen. Die Technologie ist jedoch weitaus weniger ausgereift als bestehende Flüssigelektrolytsysteme und lädt zu Innovationen wie dem Hybridsystem ein, an dem die Forscher der Georgia Tech arbeiten.

Die Forschung wird teilweise durch ein dreijähriges unabhängiges Forschungs- und Entwicklungsengagement von GTRI in Höhe von 1,1 Millionen US-Dollar unterstützt. „Angesichts der beispiellosen Bundes- und Landesinvestitionen, die in Georgia in Elektrofahrzeuge, Batterieherstellung und Recycling getätigt wurden, baut GTRI weiterhin starke Kooperationen auf, um Lücken und neue Geschäftsmodelle zu identifizieren – und die Anzahl und Arten von Recyclinganlagen vorherzusagen, auf die reagiert werden muss.“ zukünftigen Marktanforderungen gerecht zu werden", fügte Stern hinzu.

Basierend auf vielversprechenden Ergebnissen mit kleinen Batterien im Labormaßstab planen die Forscher, ihre Arbeit auf Batterien auszuweiten, die zu Hunderten oder Tausenden für die weitere Entwicklung und Erprobung – und letztendlich für die Produktion im Großmaßstab – hergestellt werden könnten. „Wenn wir unsere Effizienz bei der Fertigung steigern, werden die Herstellungskosten sinken, während die Integration der Lieferkette und die Nachhaltigkeitsziele Wiederverwendbarkeit und Recycling große Auswirkungen haben werden“, sagte Stern.

Das Forschungsteam demonstriert nicht nur das Potenzial dieser Technologie, sondern modelliert auch den Betrieb der Zellen, um die künftige Technologieentwicklung zu steuern und den potenziellen Lebenszyklus der Hybridelektrolyt-Festkörperbatterien zu bewerten. Zu den zukünftigen Zielen gehören die Integration der Technologie in Lieferketten, die nicht auf Materialien aus Konfliktgebieten der Welt angewiesen sind, und die Evaluierung neuer Elektrodenmaterialien wie Lithiummetall und Silizium als Ersatz für Standardgraphit.

„Das Ziel der modellbasierten Systemtechnik (MBSE) besteht darin, Expertenwissen von der Fertigungsebene bis zur Systemintegration zu modellieren, um Forschungsmöglichkeiten sowie neue Geschäftsmodelle aufzuzeigen“, sagte Paula Gomez, leitende Forschungsingenieurin bei GTRI , und der Leiter des Modellierungsteams.

Das Forschungsteam entwickelt Modelle in drei Hauptbereichen: (1) Herstellung und Leistung; (2) Herstellungsprozess; und (3) Wiederverwendung, Aufarbeitung und Recycling. Die Integration dieser Modelle umfasst die Bewertung der Batterieeffizienz und -stabilität, der Produktionskosten und des Energieverbrauchs sowie der Kapitalrendite von Recyclingmaterialien.

Auch wenn die Vorteile von Festkörperelektrolyten sehr attraktiv sind, stehen sie vor Herausforderungen. Ein Hybridelektrolytsystem ist komplizierter herzustellen und die elektrischen, mechanischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen den Materialien müssen gründlich untersucht werden. „Je komplexer Sie sind, desto mehr Probleme müssen Sie verstehen“, sagte Stern.

GTRI ist bekannt für seine Unterstützung der nationalen Sicherheit durch von Behörden des US-Verteidigungsministeriums geförderte Forschung. Stern geht davon aus, dass die verbesserte Festkörperbatterietechnologie letztendlich Eingang in die militärische Ausrüstung von Soldaten und künftige Generationen elektrisch angetriebener Militärfahrzeuge finden wird.

Die Arbeit unterstützt auch die wirtschaftliche Entwicklung des Bundesstaates Georgia, der sich schnell zu einem Zentrum für die Herstellung von Elektrofahrzeugen und Batterien entwickelt.

„Georgien entwickelt sich zum Epizentrum der Elektrifizierungsrevolution mit Fahrzeugherstellern wie Rivian und Hyundai, Batterieunternehmen wie SK, FREYER Battery und Recyclern wie Ascend Elements“, sagte Stern. „Georgia Tech trägt zur wirtschaftlichen Entwicklung des Staates bei, indem es diese Innovation vorantreibt.“

Bereitgestellt vom Georgia Institute of Technology