„Bedeutender Durchbruch:“ Die Beschichtungslösung könnte zu größerer und längerer Reichweite führen

Neue Untersuchungen zu den Gründen für die Lithium-Ionen-Plattierung von Batterien könnten den Weg für ein schnelleres Laden von Elektrofahrzeugen, eine größere Reichweite und eine längere Lebensdauer der Batterien ebnen.

Die Lithium-Ionen-Plattierung hat sich bei Elektrofahrzeugbatterien als Problem erwiesen, da sie die Leistung beeinträchtigen, die Beschleunigung verlangsamen und schnelle Ladegeschwindigkeiten beeinträchtigen und in einigen Fällen ein erhöhtes Brand- und Sicherheitsrisiko darstellen kann.

Eine neue, in „Nature“ veröffentlichte Studie schlägt eine Lösung vor, bei der die Mikrostruktur einer Graphitanode optimiert und die Art und Weise geändert wird, wie eine Batterie geladen wird. Dadurch könnte die Menge der Lithiumionenplattierung, die im Laufe der Zeit stattfindet, reduziert werden.

„Mithilfe eines bahnbrechenden 3D-Batteriemodells können wir erfassen, wann und wo die Lithium-Plattierung beginnt und wie schnell sie wächst“, sagt Studienleiter Dr. Xuekun Lu von der Queen Mary University of London.

„Dies ist ein bedeutender Durchbruch, der einen großen Einfluss auf die Zukunft von Elektrofahrzeugen haben könnte.“

Bei der Lithiumplattierung sammeln sich Lithiumionen an einigen Stellen der Anodenoberfläche an.

Sie wird im Allgemeinen durch das Laden bei niedrigen Temperaturen oder die Verwendung hoher Ströme – eine Anforderung der Schnellladeinfrastruktur – verursacht, wenn die Oberfläche der Anode vorübergehend mit Lithiumionen gesättigt ist. Anstatt zu „interkalieren“ oder in die Anodenstruktur einzudringen, bauen sich die Ionen an der Außenseite als metallische Schicht auf.

Im Laufe der Zeit können kleine Ablagerungen bei späteren Entladungen entfernt werden, aber manchmal wird die neue Schicht selbstverstärkend.

Sobald dies beginnt, verbraucht es Lithium, das in der Batterie verwendet werden könnte, verringert die Porosität der Anode für den Eintritt anderer Lithiumionen und verringert die Fläche auf der Anode, die reagieren kann.

Das bedeutet, dass die Batterieleistung jetzt so weit abnimmt, dass sie die Beschleunigungsfähigkeit eines Elektrofahrzeugs (EV) verlangsamen kann, und dass die Lebensdauer des Geräts kürzer wird. In manchen Fällen kann es zu Kurzschlüssen und Bränden kommen.

Die Forschung, wie dieses Problem mithilfe einer hochauflösenden 3D-Phasenfeldmodellierung mit mikrostruktureller Auflösung behoben werden kann, wurde von einer Zusammenarbeit britischer und US-amerikanischer Forscher durchgeführt, die aus einer ganzen Reihe traditionsreicher Institutionen stammen – darunter das MIT, die Faraday Institution, Oxford und Peking Institut für Technologie, unter anderem.

Sie fanden heraus, dass die Partikel, aus denen die Anode besteht, nicht einheitlich sind und es daher mehr oder weniger wahrscheinlich ist, dass sich Lithiumionen leicht einlagern oder nicht.

Die Manipulation der Partikel der Anode, so dass sie gleichmäßiger statt zufällig verteilt sind, würde eine homogenere Reaktion zwischen den Lithiumionen und der Anode ermöglichen und den Aufbau einer Lithiumschicht in einigen Bereichen verhindern, in anderen jedoch nicht, sagt Lu.

Allerdings ist dies auch eine ziemliche Herausforderung.

Eine weitere, einfachere Lösung wäre die Änderung der Funktionsweise von Schnellladegeräten.

Die Studie ergab, dass eine Konstantstromspannung aufgrund des hohen Stroms, der verwendet werden muss, nicht für das Schnellladen geeignet ist.

Forscher an anderer Stelle haben bereits eine Reihe unterschiedlicher Optionen untersucht, etwa gepulsten Strom, variierten Strom, mehrstufigen Konstantstrom oder ein Hybridprofil, das verschiedene Modi kombiniert.

Die Autoren der Studie geben an, dass für eine sehr schnelle Vollladung in 20 Minuten eine Ruhezeit von 3 Minuten bei 45 Prozent Ladezustand (SOC) für eine Elektrode mit einer realen Kapazität von bis zu 2 mAh cm−2 (Entladekapazität pro) eingehalten werden sollte Flächeneinheit).

Für eine 3-mAh-cm-2-Elektrode liegt die optimale Relaxationszeit bei 45 Prozent SOC für einen 20-minütigen Ladevorgang, 30 Prozent SOC für einen Ladevorgang, der 30 Minuten langsamer dauert, und 20 Prozent SOC für einen Ladevorgang, der 60 Minuten dauert Protokoll.

Indem der Batterie Zeit zum „Entspannen“ gegeben wird, gibt sie der Anode Zeit, die Lithium-Ionen zu absorbieren, hilft bei der Erholung, indem sie jegliches reversibel aufgebrachte Lithium ablöst, und reduziert den Kapazitätsverlust im Moment, indem sie die Bildung von Lithiumionen stoppt. „totes Lithium“ genannt.

Rachel Williamson ist eine Wissenschafts- und Wirtschaftsjournalistin, die sich auf klimawandelbedingte Gesundheits- und Umweltthemen konzentriert.