Zinn-Zwischenschicht: Eine revolutionäre Lösung zur Vermeidung von Kurzschlüssen in Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien werden für ihre hohe Energiedichte, schnelle Wiederaufladefähigkeit und ihre Fähigkeit, zahlreiche Lade- und Entladezyklen zu überstehen, gelobt. Eine der größten Herausforderungen dieser Batterien ist jedoch ihre Anfälligkeit für Kurzschlüsse. Wenn ein Kurzschluss auftritt, kann dies zu einem plötzlichen Spannungsverlust oder einer abrupten, hochstromigen Entladung führen, was zum Ausfall der Batterie führen kann. In schweren Fällen können Kurzschlüsse sogar dazu führen, dass die Batterie überhitzt, sich entzündet oder explodiert.

Kurzschlüsse in Lithium-Ionen-Batterien verstehen

Ein Kurzschluss in einer Lithium-Ionen-Batterie tritt normalerweise auf, wenn es zu einer unbeabsichtigten Verbindung zwischen den beiden Elektroden der Zelle kommt. Diese Verbindung kann zu einem katastrophalen Ausfall führen, insbesondere wenn sie zu einer schnellen Entladung von Energie führt. Eine der Hauptursachen für Kurzschlüsse in diesen Batterien ist die Bildung von Dendriten – mikroskopisch kleinen, baumartigen Strukturen, die auf den Elektroden wachsen. Wenn sich diese Dendriten so weit ausdehnen, dass sie die gegenüberliegende Elektrode erreichen, können sie einen Kurzschluss verursachen.

Die Rolle von Dendriten bei Batterieausfällen

Dendriten sind kristalline Strukturen, die  bilden sich während des Ladevorgangs, insbesondere unter Bedingungen, bei denen Lithiumionen ungleichmäßig auf den Elektrodenoberflächen abgelagert werden. Mit der Zeit wachsen diese Dendriten und können schließlich den Separator durchbohren, der die Elektroden voneinander trennt, was zu einem Kurzschluss führt. Dies stellt nicht nur ein Sicherheitsrisiko dar, sondern begrenzt auch die Effizienz und Lebensdauer der Batterie.

Bahnbrechende Forschung der University of Alberta

Forscher der University of Alberta (UAlberta) haben in Zusammenarbeit mit der Canadian Light Source (CLS) der University of Saskatchewan (USask) einen innovativen Ansatz entwickelt, um die Dendritenbildung in Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien zu verringern. Ihre Forschung, veröffentlicht im ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen Journal, führt eine zinngesättigte Zwischenschicht zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten ein. Diese Zinnschicht verteilt Lithium während der Abscheidung und erzeugt eine glattere Oberfläche, die der Dendritenbildung weniger förderlich ist.

So funktioniert die Zinn-Zwischenschicht

Die Zinnzwischenschicht verändert die Ablagerungsdynamik von Lithium auf der Elektrode. Während des Ladevorgangs neigt Lithium dazu, sich auf eine Weise abzulagern, die zu rauen, unebenen Oberflächen führen kann, die anfällig für Dendritenwachstum sind. Die zinngesättigte Schicht hingegen fördert eine gleichmäßigere Ablagerung von Lithium, was zu einer glatten, dendritenresistenten Oberfläche führt. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen erheblich und verbessert die Gesamtstabilität der Batterie.

Verbesserte Leistung mit zinnreichen Strukturen

Die Forscher der University of Alberta fanden heraus, dass Batterien mit dieser zinnreichen Zwischenschicht viel höhere Ströme verarbeiten und mehr Lade- und Entladezyklen überstehen als Standardzellen. Diese Verbesserung verlängert nicht nur die Lebensdauer der Batterie, sondern macht sie auch sicherer für Hochleistungsanwendungen, wie etwa in Elektrofahrzeugen oder großen Energiespeichersystemen.

Bedeutung der HXMA-Strahllinie in der Forschung

Assistenzprofessor Lingzi Sang von der Fakultät für Naturwissenschaften (Chemie) der Universität Alberta betonte die entscheidende Rolle der HXMA-Strahllinie am CLS in ihrer Forschung. Die Strahllinie ermöglichte es dem Team, die strukturellen Veränderungen auf der Lithiumoberfläche in einer aktiven Batterie in Echtzeit auf Materialebene zu beobachten und zu verstehen. Dies vertiefte ihr Verständnis dafür, wie die Zinnzwischenschicht die Dendritenbildung unterdrückt und Kurzschlussrisiken mindert.

Frühere Entdeckungen und die Zukunft der Batteriesicherheit

Dies ist nicht das erste Mal, dass das Team der University of Alberta das Potenzial von Zinn als Schutzschicht untersucht. In einer früheren Studie zeigten sie, dass eine Zinnbeschichtung auch die Dendritenbildung in Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt verhindern kann. Diese kumulativen Erkenntnisse deuten auf eine breitere Anwendbarkeit der Zinn-Zwischenschichttechnologie bei verschiedenen Arten von Lithium-Ionen-Batterien hin.

Industrielle Auswirkungen und zukünftige Richtungen

Laut Professor Sang hat die Entwicklung dieser Zinn-Zwischenschichttechnik großes Potenzial für die industrielle Anwendung. Der nächste Schritt für das Forschungsteam ist die Entwicklung einer kostengünstigen, skalierbaren Methode zur Integration dieser Schutzschicht in den Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien. Im Erfolgsfall könnte dies zu einer neuen Generation sicherer, zuverlässigerer Batterien führen, die weithin kommerziell genutzt werden.