Wissenschaftler entdecken glasartiges Lithium

Wissenschaftler der Universität von Kalifornien San Diego und des Idaho National Laboratory bekamen zum ersten Mal einen Blick auf das nichtkristalline "glasartige" Lithium, das sich in den frühesten Stadien der Lithiumaufladung bildet. Während solcher Stadien führt eine langsame, energiearme Aufladung dazu, dass die Elektroden die Atome ungeordnet sammeln, was das Aufladeverhalten verbessert. Dies war noch nie zuvor beobachtet worden. In einer Studie, die in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht wurde, sagen die Forscher, dass diese Ergebnisse zur Feinabstimmung von Wiederaufladungsansätzen beitragen könnten, um die Lebensdauer von Batterien zu erhöhen und glasartige Metalle für andere Anwendungen herzustellen.  Zur Durchführung ihres Experiments fragten sich die Wissenschaftler, ob das Auflademuster in Lithiumbatterien durch die früheste Ansammlung der ersten paar Atome, einen Prozess, der als Nukleation bezeichnet wird, beeinflusst wird. Nanostrukturelle Lithiumatome (blau), die sich während des Ladevorgangs der Batterie auf einer Elektrode (gelb) abscheiden. (Bild mit freundlicher Genehmigung der UC San Diego). Die Grundlage für ihre Frage war die Tatsache, dass die Art und Weise, wie sich Lithiumatome beim Wiederaufladen von wiederaufladbaren Hochenergiebatterien auf der Anode ablagern, von einem Wiederaufladezyklus zum nächsten variieren kann, was zu einem unregelmäßigen Aufladen und einer verkürzten Lebensdauer der Batterie führt.  Für ihre Beobachtungen kombinierten die Wissenschaftler Bilder und Analysen von einem leistungsstarken Elektronenmikroskop mit Flüssigstickstoffkühlung und Computermodellierung. Die Kryostate-Elektronenmikroskopie ermöglichte es ihnen, die Entstehung von Lithium-Metall-"Embryonen" zu sehen, und die Computersimulationen halfen ihnen zu erklären, was sie sahen. Sie entdeckten, dass bestimmte Bedingungen eine weniger strukturierte Form von Lithium schufen, die eher amorph (wie Glas) als kristallin (wie Diamant) war.  Während des Wiederaufladens blieben gläserne Lithium-Embryonen während des gesamten Wachstums eher amorph (wie Glas) als kristallin (wie Diamant). Bei der Untersuchung der Bedingungen, die eine glasartige Keimbildung begünstigten, stellte das Team fest, dass es in der Lage war, amorphes Metall unter sehr milden Bedingungen bei einer sehr langsamen Aufladungsrate herzustellen. Dieses Ergebnis war nicht eingängig, da die Experten davon ausgingen, dass langsame Abscheidungsraten es den Atomen ermöglichen würden, ihren Weg in ein geordnetes, kristallines Lithium zu finden. Modellierungsarbeiten erklärten jedoch, wie die Reaktionskinetik die glasartige Formation antreibt.  Um diese Ergebnisse zu bestätigen, schufen die Wissenschaftler glasartige Formen von vier weiteren reaktiven Metallen, die für Batterieanwendungen attraktiv sind.  Einem Medienbericht der Universität zufolge könnten die Ergebnisse dieser Studie dazu beitragen, die Ziele des Battery500-Konsortiums zu erreichen, einer Initiative des Energieministeriums, die die Forschung finanziert hat und die darauf abzielt, kommerziell nutzbare Batterien für Elektrofahrzeuge mit einer zellniveauspezifischen Energie von 500 Wh/kg zu entwickeln.