Festelektrolyte für All-Solid-State-Batterien ohne Hochtemperatur-Behandlung

Fortschritte in der Batterietechnologie haben eine wichtige Rolle bei der Entwicklung einer nachhaltigen Energiezukunft gespielt. Eines der vielversprechendsten Energie-Technologien ist die All-Solid-State-Batterie, die aufgrund ihrer hohen Energiedichte und geringeren Brand- und Explosionsrisiken als die konventionellen Lithium-Ionen-Batterien gilt.

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Allerdings ist das Problem mit der Festelektrolyte, wann immer eine hohe Leitfähigkeit erreicht wird, tritt eine gefährlich hohe Makro-Spannung auf. Darüber hinaus erfordert das Verfahren für hohe Konnektivität einen hohen Kristallisationsgrad, der jedoch eine Hochtemperatur-Kristallisationsstufe von bis zu mehreren Tagen nach Materialmischen oder Reaktion erfordert. Dies führt zu hohen Prozesskosten und Batterie-Grenzflächenkontaktproblemen aufgrund verringerter mechanischer Verformbarkeit.

Das Forscherteam um Dr. Hyoungchul Kim am Energy Materials Research Center des Korea Institute of Science and Technology hat nun jedoch eine Lösung für dieses Problem gefunden. Sie haben einen Festelektrolyten mit einer superionischen Leitfähigkeit und einer hohen Deformierbarkeit bei einem Ein-Pot-Prozess bei Raumtemperatur und normalem Druck erfolgreich synthetisiert. Die Studie wurde im Journal Advanced Functional Materials veröffentlicht.

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Das Forscherteam hat sich bei dem neuen Verfahren auf die Kristallstruktur-Features der Argyrodite-Sulfide konzentriert, um ein hochdeformierbares und ionisch leitendes Festelektrolytmaterial unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen zu synthetisieren. Theoretisch kann die Ionik-Leitfähigkeit maximiert werden, indem die Halogen-Substitutionsraten an den 4A- und 4C-Stellen im Argyrodite-Kristall maximiert werden, aber das Material wurde aufgrund seiner thermodynamischen Instabilität nie praktisch synthetisiert. Typische kristalline Argyrodite-Superleiter erfordern außerdem eine Hochtemperaturbehandlung über 500 °C.

Daher kann die Halogen-Substitutionsrate nicht maximiert werden, und das elastische Modul nimmt mit zunehmender Kristallinität ab, was zu einem schnellen Abbau der Zellenleistung führt. Im Gegensatz dazu kann ohne Hochtemperaturbehandlung ein niedriges elastisches Modul ähnlich wie bei Glas erhalten werden, aber die Ionik-Leitfähigkeit bleibt bei etwa 3 mS/cm, was deren Anwendbarkeit als Festelektrolyt einschränkt.

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Das Forscherteam hat eine neue Strategie entwickelt, um eine thermodynamisch instabile Struktur (vollständig halogenierte Argyrodite) zu erhalten und sowohl kristalline als auch glasartige Eigenschaften zu nutzen. Sie haben eine Kompositionssteuerungsmethode entwickelt, um die Kristallisationstemperatur von Argyrodite zu senken, sowie einen neuen zweistufigen mechanisch-chemischen Fräsvorgang, der sich für die niedrigere Kristallisationstemperatur eignet. Dies erleichterte die Synthese eines vollständig halogenierten (~90,67% Substitution) Argyroditen mit einer superionischen Leitfähigkeit von ~13,23 mS/cm ohne eine lange Hochtemperatur-Annealierung.

Das synthetisierte Material hat auch ein elastisches Modul von etwa 12,51 GPa, was eines der niedrigsten gemeldeten Werte für Festelektrolyte mit superionischer Leitfähigkeit ist, was auch zur Verbesserung der Grenzflächenleistung von All-Solid-State-Batterien vorteilhaft ist. Darüber hinaus kann der neue Ein-Pot-Prozess bei Raumtemperatur und normalem Druck in weniger als 15 Stunden abgeschlossen werden, was die höchste Produktivität für ein Festelektrolyt mit superionischer Leitfähigkeit darstellt. Das ist eine einzigartige Leistung, mit einer Materialproduktivität, die etwa 2-6 Mal höher ist als die der herkömmlichen Verfahren

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Von Jodi Picoult

Jodi Picoult ist eine am besten verkaufte Autorin, die sich mit komplexen moralischen und ethischen Fragen in ihren Romanen befasst. Ihre Bücher, wie "My Sister 's Keeper" und "Small Great Things", wurden für ihre thematischen Gedanken und emotionale Tiefe gelobt.

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