Einen Schritt näher an Lithium-Metall-Batterien, die mit minimalem Außendruck funktionieren

Jul 09, 2023

Ein Team von Batterieforschern unter der Leitung der University of California San Diego und der University of Chicago hat eine neue Methode zur Herstellung des möglicherweise bahnbrechenden Dünnschicht-Festkörperelektrolyten namens Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) entwickelt. Anschließend implementierte das Team seine freistehende Version des LiPON-Films in funktionellen Batterietests und stellte fest, dass er mithilfe interner Druckspannung und einer Goldkeimschicht eine gleichmäßig dichte elektrochemische Abscheidung von Lithiummetall ohne Außendruck fördert. Diese Arbeit, durchgeführt von einem Team von Batterieforschern unter der Leitung der University of California San Diego und der University of Chicago, wurde am 3. August 2023 in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Das Forschungsteam wird von der Batterieforscherin und Professorin Ying Shirley Meng geleitet, die sowohl an der University of Chicago als auch an der UC San Diego tätig ist. Der Erstautor ist Diyi Cheng, ein kürzlich promovierter Doktorand. im Materials Science and Engineering Program der UC San Diego Jacobs School of Engineering, der seine Forschungsbemühungen am Lawrence Berkeley National Laboratory fortsetzt. Zum Team gehören auch Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory und der UC Berkeley.

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. Nun hat das Team einen Weg gefunden, diesen vielversprechenden Festkörperelektrolyten in einer freistehenden Form herzustellen, die eine umfassendere Untersuchung von LiPON ermöglicht. 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.

LiPON wurde ursprünglich 1992 von einer Gruppe von Wissenschaftlern am Oak Ridge National Laboratory entwickelt. Trotz kontinuierlicher Forschungsanstrengungen in den letzten drei Jahrzehnten besteht nach wie vor ein erheblicher Mangel an gründlichem Verständnis der intrinsischen Eigenschaften von LiPON und der damit verbundenen Schnittstellen, was das Versprechen und den Fortschritt bremst von LiPON-Materialien. Mehrere Faktoren, die zu diesem Dilemma führen, sind:

Angesichts der bekannten Herausforderungen bei der Untersuchung von LiPON entwickelte das Team eine neue Methode zur Herstellung von LiPON-Filmen in freistehender Form. Das Ergebnis ist ein flexibler und transparenter freistehender LiPON-Film (FS-LiPON), der mit einer breiten Palette spektroskopischer Techniken kompatibel ist und im Vergleich zu beugungsbasierten Techniken größere Chancen bietet, die einzigartigen Eigenschaften von LiPON zu entschlüsseln. Dieser Fortschritt brachte neue Erkenntnisse hervor, die im neuen Artikel von Nature Nanotechnology über die Grenzflächenchemie, die thermischen und mechanischen Eigenschaften von LiPON beschrieben werden. Zu den Erkenntnissen gehören:

Neben neuen grundlegenden Erkenntnissen zu LiPON implementierte das Forschungsteam die neue freistehende Version des Festkörperelektrolyten auch in funktionellen Batterietests. Das Team berichtet, dass der Dünnschicht-FS-LiPON mit Hilfe von interner Druckspannung und einer Goldkeimschicht eine gleichmäßig dichte elektrochemische Abscheidung von Lithiummetall ohne äußeren Druck fördert. Dieser Befund liefert wertvolle Hinweise zur Schnittstellentechnik in Festkörperbatterien.

LiPON-basierte Dünnschichtbatterien haben ein großes Potenzial für Wearables und andere kompakte elektronische Geräte mit einem riesigen Markt gezeigt. Der in dieser von Diyi Cheng et al. beschriebene FS-LiPON-Film wurde in dieser Arbeit hergestellt. in Nature Nanotechnology ermöglichte ausführliche 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.

„Ein freistehender Lithium-Phosphor-Oxinitrid-Dünnschichtelektrolyt fördert eine gleichmäßig dichte Lithiummetallabscheidung ohne äußeren Druck“, in Nature Nanotechnology vom 3. August 2023.

Diyi Cheng: University of California San Diego, Thomas Wynn: University of California San Diego, Bingyu Lu: University of California San Diego, Maxwell Marple: Lawrence Livermore National Laboratory, Bing Han: University of California San Diego, Ryosuke Shimizu: University of California San Diego, Bhagath Sreenarayanan: University of California San Diego, Jeffery Bickel: University of California Berkeley, Peter Hosemann: University of California Berkeley, Yangyuchen Yang: University of California San Diego, Han Nguyen: University of California San Diego, Weikang Li: University of California San Diego, Guomin Zhu: University of California San Diego, Minghao Zhang: University of California San Diego, Ying Shirley Meng: University of Chicago und University of California San Diego

Minghao Zhang in der Abteilung für NanoEngineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering: Ying Shirley Meng an der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago und an der UC San Diego Jacobs School of Engineering.

US-Energieministerium (DOE)National Science Foundation (NSF)

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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