Forscher bekämpfen Korrosion, um erstmals die wahre Form von Lithium aufzudecken

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Lithiumatome auf einer Oberfläche bilden auf natürliche Weise ein rhombisches Dodekaeder – eine zwölfseitige Form ähnlich einem D12-Würfel – wenn sie vor Korrosion geschützt werden. Die Entdeckung könnte wichtige Konsequenzen für die Entwicklung sicherer Lithium-Metall-Batterien haben, die bisher durch unvorhersehbare Lithiumwachstumsraten, die Brandgefahr bergen, behindert wurden. Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien sind in fast allen Haushalten zu finden und versorgen alles vom Smartphone bis zum Elektrofahrzeug mit Strom. Sie werden auch häufig für industrielle Energiespeicheranwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Speicherung überschüssiger Energie, die zu Spitzenzeiten aus Solar- und Windkraft erzeugt wird.

Lithium-Ionen-Batterien speichern Energie, indem sie positiv geladene Lithiumatome in einer käfigartigen Kohlenstoffstruktur speichern, die eine Elektrode umhüllt. Doch bevor es Lithium-Ionen-Batterien gab, gab es Lithium-Metall-Batterien. Anstelle von Kohlenstoff überzieht eine Lithium-Metall-Batterie die Elektrode mit einer dünnen Schicht aus reinem Lithiummetall. Durch diese kleine Änderung kann im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien bis zu zehnmal mehr Lithium auf dem gleichen Raum untergebracht werden, was zu einer deutlich höheren Leistung führt.

Aber auch wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterien sind weitaus gefährlicher. Metallisches Lithium ist so hochreaktiv, dass bei der Abscheidung des Metalls auf einer Elektrode fast sofort Korrosion einsetzt. Dies kann dazu führen, dass die Lithiumatome mikroskopisch kleine Zacken und Verästelungen bilden, die bei Kontakt zu einem Kurzschluss führen können.

Die Einbeziehung von Elektrolyt in eine Lithium-Metall-Batterie beeinflusst auch die Formen, die dieses Oberflächenlithium annimmt, und dies ist teilweise der Grund, warum Lithium-Metall-Batterien in einigen Branchen immer noch als sicher für die Verwendung gelten. Bisher herrschte die Meinung vor, dass die Wahl des Elektrolyten ein wesentlicher Faktor dafür sei, ob Lithium auf der Elektrodenoberfläche klumpige, spitzen oder säulenförmige Formen bilden würde.

„Wir wollten sehen, ob wir Lithium so schnell abscheiden können, dass wir schneller als die Reaktion sind, die den Korrosionsfilm verursacht“, sagte Xintong Yuan, Doktorand an der University of California Los Angeles (UCLA), der Erstautor der Studie. „Auf diese Weise könnten wir möglicherweise sehen, wie das Lithium ohne diesen Film wachsen möchte.“

Die Forscher entwickelten eine neue Technik, die Lithium schneller ablagert als herkömmliche Methoden. Indem sie Strom durch eine viel kleinere Elektrode fließen ließen, konnten die Forscher den Strom effektiv schneller durchleiten und den Ablagerungsprozess beschleunigen – ähnlich wie Wasser, das durch einen teilweise verstopften Schlauch gedrückt wird, stärker herausschießt.

Diese Technik wurde verwendet, um Lithiummetall unter Verwendung von vier verschiedenen Elektrolyten abzuscheiden, wobei die Form der Lithiumablagerungen mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM)-Bildgebung analysiert wurde. Die beobachteten Formen wurden mit weiteren Proben verglichen, die unter ähnlichen Bedingungen, jedoch unter Verwendung der traditionelleren Abscheidungstechnik, hergestellt wurden.

Es wurde festgestellt, dass die neue ultraschnelle Abscheidungstechnik so schnell ist, dass sie die natürliche Korrosion von Lithium übertrifft.

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Durch Korrosion bildete das Lithium vier verschiedene mikroskopische Formen. Durch den ultraschnellen, korrosionsfreien Prozess bildete das Lithium jedoch stets mikroskalige Dodekaederformen auf der Elektrodenoberfläche. Die Forscher sagen, dass dies wahrscheinlich die „wahre“ Form von Lithium in den Fällen widerspiegelt, in denen es nicht korrodieren darf.

„Es gibt Tausende von Veröffentlichungen über Lithiummetall und die meisten Beschreibungen der Struktur sind qualitativer Art, wie etwa ‚klumpig‘ oder ‚säulenartig‘“, sagte Yuzhang Li, korrespondierender Autor der Studie und Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Southern California die UCLA Samueli School of Engineering.

„Für uns war es überraschend zu entdecken, dass wir, als wir Oberflächenkorrosion verhinderten, anstelle dieser schlecht definierten Formen ein einzelnes Polyeder sahen, das theoretischen Vorhersagen auf der Grundlage der Kristallstruktur des Metalls entsprach. Letztendlich ermöglicht uns diese Studie, unser Verständnis von Lithium-Metall-Batterien zu überarbeiten“, fügte Li hinzu.

Die Entdeckung dieser „wahren“ Form von Lithium könnte große Bedeutung für die Batteriewissenschaft haben. Wenn dieses Wissen genutzt werden kann, um sicherere Lithium-Metall-Batterien herzustellen, bei denen nicht das gleiche strukturelle Kurzschlussrisiko besteht, dann könnten sie eine deutliche Verbesserung gegenüber der aktuellen Palette von Lithium-Ionen-Batterien darstellen.

„Wissenschaftler und Ingenieure haben über zwei Jahrzehnte lang an der Synthese von Metallen wie Gold, Platin und Silber in Formen wie Nanowürfeln, Nanokugeln und Nanostäben geforscht“, sagte Li. „Da wir nun die Form von Lithium kennen, stellt sich die Frage: Können wir es so anpassen, dass es Würfel bildet, die dicht gepackt werden können, um sowohl die Sicherheit als auch die Leistung von Batterien zu erhöhen?“

Referenz: Yuan X, Liu B, Mecklenburg M, Li Y. Ultraschnelle Abscheidung facettierter Lithiumpolyeder durch Outpacing-SEI-Bildung. Natur. 2023;620(7972):86-91. doi: 10.1038/s41586-023-06235-w

Dieser Artikel ist eine Überarbeitung einer Pressemitteilung des California NanoSystems Institute. Das Material wurde hinsichtlich Länge und Inhalt bearbeitet.