Gegenwärtig sehen sich Lithium-Metall-Batterien mit den technischen Kernproblemen des schnellen Kapazitätsabfalls und der kurzen Zyklenlebensdauer der Lithium-Metall-Anode konfrontiert. Ein wesentlicher Grund für den Kapazitätsabfall ist, dass es bei den Lade-Entlade-Zyklen zu wiederholten elektrochemischen Kristallabscheidungen und Kristallauflösungen kommt, was Volumenänderungen in der Lithium-Metall-Anode zur Folge hat. Dies hat wiederum den Bruch der Festelektrolytmembran (SEI) zur Folge. Durch die Beschädigung der SEI-Membran kommt es zu einer (elektro)chemischen Korrosionsnebenreaktion zwischen Lithiummetall und Elektrolyt. Dies führt zum Verlust von Aktivmaterial und Absinken der Elektrodenkapazität.
Forscher der Universität Shandong, der Universität Zhejiang und anderer Institute haben kürzlich ein neuartiges, nanotechnologisch hergestelltes Material vorgestellt. Es könnte als Elektrode in Lithium-Metall-Batterien verwendet werden, da es sich beim Laden und Entladen weder ausdehnt noch zusammenzieht.
Die Forschenden haben dafür einen zweidimensionalen, kontinuierlichen und vollständig versiegelten rGO&ZnO-Wirt mit geschichteten Hohlräumen entwickelt. Seine Architektur weist zwei wesentliche Merkmale auf. Erstens findet die Lithium-Beschichtung/-Entfernung vollständig innerhalb starrer Hohlräume statt, wodurch eine zerstörerische Volumenausdehnung vermieden wird. Zweitens wirkt die kontinuierliche Wirtsstruktur wie eine korrosionsbeständige Panzerung, die das Eindringen von Elektrolyt und den Kontakt mit Lithium vollständig verhindert.
Laut ihren Berechnungen erreichten die Forschenden einen Rekordwert bei der coulombischen Effizienz (das Verhältnis der eingesetzten Ladeenergie zur entnommenen Energie) von 99,99 bis 99,9999 % für fast 2.000 Zyklen und übertrafen damit die kritische Schwelle von 99,9 %, die als Grenze für Li-Metall-Batterien mit langer Lebensdauer gilt. Dies würde eine nahezu perfekte Li-Reversibilität bedeuten. Damit scheint die zentrale Herausforderung der durch Volumenänderungen verursachten Li-Degradation gelöst. (jr)
