Seoul, S\u00fcdkorea (ots\/PRNewswire) – – Ingenieure entwickeln eine leistungsstarke Festk\u00f6rperbatterie mit einer Anode aus reinem Silizium Ingenieure haben einen neuen Batterietyp entwickelt, der zwei vielversprechende Batterie-Teilbereiche in einer einzigen Batterie vereint. Die Batterie verwendet sowohl einen Festk\u00f6rperelektrolyten als auch eine Vollsiliziumanode, was sie zu einer reinen Silizium-Festk\u00f6rperbatterie macht. Die ersten Testrunden haben gezeigt, dass die neue Batterie sicher ist, eine lange Lebensdauer hat und eine hohe Energiedichte aufweist. Sie ist vielversprechend f\u00fcr eine breite Palette von Anwendungen, von der Netzspeicherung bis hin zu Elektrofahrzeugen. Die Batterietechnologie wird in der Ausgabe vom 24. September 2021 der Fachzeitschrift Science beschrieben. Nanoingenieure der University of California San Diego leiteten die Forschung in Zusammenarbeit mit Forschern von LG Energy Solution. Siliziumanoden sind ber\u00fchmt f\u00fcr ihre Energiedichte, die 10-mal h\u00f6her ist als die der Graphitanoden, die in den heutigen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien am h\u00e4ufigsten verwendet werden. Andererseits sind Siliziumanoden daf\u00fcr ber\u00fcchtigt, dass sie sich beim Laden und Entladen der Batterie ausdehnen und zusammenziehen und dass sie sich mit fl\u00fcssigen Elektrolyten abbauen. Diese Herausforderungen haben dazu gef\u00fchrt, dass Vollsiliziumanoden trotz der verlockenden Energiedichte nicht in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Die neue Arbeit, die in der Fachzeitschrift Science ver\u00f6ffentlicht wurde, zeigt einen vielversprechenden Weg f\u00fcr Vollsiliziumanoden auf – dank des richtigen Elektrolyten. „Mit dieser Batteriekonfiguration betreten wir Neuland f\u00fcr Festk\u00f6rperbatterien, die Anoden aus Legierungen wie Silizium verwenden“, sagte Darren H. S. Tan, der Hauptautor der Studie. Er hat vor kurzem seine Promotion in Chemieingenieurwesen an der UC San Diego Jacobs School of Engineering abgeschlossen und ist Mitbegr\u00fcnder des Start-ups UNIGRID Battery, das diese Technologie lizenziert hat. Die n\u00e4chste Generation von Festk\u00f6rperbatterien mit hoher Energiedichte basiert seit jeher auf metallischem Lithium als Anode. Dies f\u00fchrt jedoch zu Einschr\u00e4nkungen bei den Batterieladezeiten und erfordert eine hohe Temperatur (in der Regel 60 Grad Celsius oder mehr) w\u00e4hrend des Ladevorgangs. Die Siliziumanode \u00fcberwindet diese Beschr\u00e4nkungen und erm\u00f6glicht viel schnellere Ladegeschwindigkeiten bei Raum- und Niedrigtemperaturen, w\u00e4hrend gleichzeitig hohe Energiedichten beibehalten werden. Das Team demonstrierte eine vollst\u00e4ndige Zelle im Laborma\u00dfstab, die 500 Lade- und Entladezyklen mit einer Kapazit\u00e4tserhaltung von 80 % bei Raumtemperatur erm\u00f6glicht. Silizium als Anode zum Ersatz von Graphit Siliziumanoden sind nat\u00fcrlich nicht neu. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler und Batteriehersteller nach Silizium als energiereichem Material, das in Lithium-Ionen-Batterien mit herk\u00f6mmlichen Graphitanoden gemischt werden oder diese vollst\u00e4ndig ersetzen kann. Theoretisch bietet Silizium etwa die zehnfache Speicherkapazit\u00e4t von Graphit. In der Praxis haben Lithium-Ionen-Batterien, bei denen der Anode zur Erh\u00f6hung der Energiedichte Silizium zugesetzt wurde, jedoch in der Regel mit Leistungsproblemen zu k\u00e4mpfen: Insbesondere ist die Anzahl der Lade- und Entladevorg\u00e4nge bei gleichbleibender Leistung nicht hoch genug. Ein Gro\u00dfteil des Problems wird durch die Wechselwirkung zwischen Siliziumanoden und den fl\u00fcssigen Elektrolyten, mit denen sie gepaart sind, verursacht. Die Situation wird durch die gro\u00dfe Volumenausdehnung der Siliziumteilchen w\u00e4hrend des Ladens und Entladens erschwert. Dies f\u00fchrt im Laufe der Zeit zu erheblichen Kapazit\u00e4tsverlusten. „Als Batterieforscher ist es von entscheidender Bedeutung, die Probleme im System an der Wurzel zu packen. Bei Siliziumanoden wissen wir, dass eines der gr\u00f6\u00dften Probleme die Instabilit\u00e4t der Fl\u00fcssigelektrolyt-Grenzfl\u00e4che ist“, sagt Shirley Meng, Professorin f\u00fcr Nanotechnik an der UC San Diego, korrespondierende Autorin der Science Ver\u00f6ffentlichung und Direktorin des Institute for Materials Discovery and Design an der UC San Diego. „Wir brauchten einen v\u00f6llig anderen Ansatz“, sagte Meng. Das von der UC San Diego geleitete Team verfolgte einen anderen Ansatz: Es eliminierte den Kohlenstoff und die Bindemittel und verwendete reine Siliziumanoden. Dar\u00fcber hinaus verwendeten die Forscher Mikro-Silizium, das weniger bearbeitet und preiswerter ist als das h\u00e4ufiger verwendete Nano-Silizium. Eine reine Solid-State-L\u00f6sung Das Team entfernte nicht nur den gesamten Kohlenstoff und die Bindemittel von der Anode, sondern auch den fl\u00fcssigen Elektrolyten. Stattdessen verwendeten sie einen festen Elektrolyten auf Sulfidbasis. Ihre Experimente zeigten, dass dieser Festelektrolyt in Batterien mit Vollsiliziumanoden \u00e4u\u00dferst stabil ist. „Diese neue Arbeit bietet eine vielversprechende L\u00f6sung f\u00fcr das Problem der Siliziumanode, auch wenn es noch mehr zu tun gibt“, sagte Professorin Shirley Meng. „Ich sehe dieses Projekt als Best\u00e4tigung unseres Ansatzes in der Batterieforschung hier an der UC San Diego. Wir verbinden strengste theoretische und experimentelle Arbeit mit Kreativit\u00e4t und unkonventionellem Denken. Wir wissen auch, wie man mit Partnern aus der Industrie zusammenarbeitet und gleichzeitig schwierige grundlegende Herausforderungen bew\u00e4ltigt.“ Bisherige Bem\u00fchungen um die Kommerzialisierung von Anoden aus Siliziumlegierungen konzentrierten sich haupts\u00e4chlich auf Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe oder auf die Kombination nanostrukturierter Partikel mit polymeren Bindemitteln. Aber sie hatten immer noch mit mangelnder Stabilit\u00e4t zu k\u00e4mpfen. Indem sie den fl\u00fcssigen Elektrolyten gegen einen festen Elektrolyten austauschten und gleichzeitig den Kohlenstoff und die Bindemittel von der Siliziumanode entfernten, vermieden die Forscher eine Reihe von Problemen, die entstehen, wenn die Anoden w\u00e4hrend des Betriebs der Batterie mit dem organischen fl\u00fcssigen Elektrolyten durchtr\u00e4nkt werden. Gleichzeitig konnte das Team durch den Wegfall des Kohlenstoffs in der Anode den Grenzfl\u00e4chenkontakt (und unerw\u00fcnschte Nebenreaktionen) mit dem Festelektrolyten erheblich reduzieren und so den kontinuierlichen Kapazit\u00e4tsverlust vermeiden, der normalerweise bei Elektrolyten auf Fl\u00fcssigkeitsbasis auftritt. Dieser zweiteilige Schritt erm\u00f6glichte es den Forschern, die Vorteile der kosteng\u00fcnstigen, energiereichen und umweltfreundlichen Eigenschaften von Silizium voll auszusch\u00f6pfen. Auswirkungen & Spin-off Kommerzialisierung „Der Festk\u00f6rper-Silizium-Ansatz \u00fcberwindet viele Einschr\u00e4nkungen herk\u00f6mmlicher Batterien. Das er\u00f6ffnet uns spannende M\u00f6glichkeiten, die Marktanforderungen nach h\u00f6herem Energievolumen, niedrigeren Kosten und sichereren Batterien, insbesondere f\u00fcr die Energiespeicherung im Netz, zu erf\u00fcllen“, sagte Darren H. S. Tan, der Erstautor der wissenschaftlichen Arbeit. Feste Elektrolyte auf Sulfidbasis galten oft als sehr instabil. Dies beruhte jedoch auf den traditionellen thermodynamischen Interpretationen, die f\u00fcr fl\u00fcssige Elektrolytsysteme verwendet wurden, was der hervorragenden kinetischen Stabilit\u00e4t von Festelektrolyten nicht gerecht wurde. Das Team sah eine M\u00f6glichkeit, diese kontraintuitive Eigenschaft zu nutzen, um eine hochstabile Anode zu schaffen. Tan ist CEO und Mitbegr\u00fcnder eines Start-ups, UNIGRID Battery, das die Technologie f\u00fcr diese Silizium-Festk\u00f6rperbatterien lizenziert hat. Parallel dazu wird an der UC San Diego die damit verbundene Grundlagenarbeit fortgesetzt, einschlie\u00dflich einer zus\u00e4tzlichen Forschungszusammenarbeit mit LG Energy Solution. „LG Energy Solution ist hocherfreut, dass die neueste Forschung zur Batterietechnologie mit der UC San Diego es in die Fachzeitschrift Science geschafft hat, eine bedeutende Anerkennung“, sagte Myung-hwan Kim, Pr\u00e4sident und Chief Procurement Officer bei LG Energy Solution. „Mit den neuesten Erkenntnissen ist LG Energy Solution der Realisierung von Festk\u00f6rperbatterietechniken ein gro\u00dfes St\u00fcck n\u00e4her gekommen, was unsere Batterieproduktpalette erheblich diversifizieren w\u00fcrde.“ „Als f\u00fchrender Batteriehersteller wird LGES seine Bem\u00fchungen fortsetzen, modernste Techniken in der Spitzenforschung f\u00fcr Batteriezellen der n\u00e4chsten Generation zu f\u00f6rdern“, f\u00fcgte Kim hinzu. LG Energy Solution hat angek\u00fcndigt, dass es seine Forschungszusammenarbeit mit der UC San Diego im Bereich der Festk\u00f6rperbatterien weiter ausbauen will. Die Studie wurde von LG Energy Solution?s Open Innovation unterst\u00fctzt, einem Programm, das Forschung im Bereich Batterien aktiv f\u00f6rdert. Die LGES hat mit Forschern in aller Welt zusammengearbeitet, um entsprechende Techniken zu f\u00f6rdern. Titel der Arbeit“Carbon Free High Loading Silicon Anodes Enabled by Sulfide Solid Electrolytes“, in der Ausgabe vom 24. September 2021 von Science. Autoren Darren H. S. Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik A. Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen und Ying Shirley Meng vom Department of NanoEngineering, Program of Chemical Engineering, and Sustainable Power & Energy Center (SPEC) University of California San Diego Jacobs School of Engineering; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, von LG Energy Solution, Ltd. Finanzierung Diese Studie wurde von der Firma LG Energy Solution im Rahmen des Battery Innovation Contest (BIC) finanziell unterst\u00fctzt. Z.C. bedankt sich f\u00fcr die Unterst\u00fctzung durch den Start-up-Fonds der Jacob School of Engineering der University of California San Diego. Y.S.M. dankt f\u00fcr die finanzielle Unterst\u00fctzung durch den Zable Endowed Chair Fund. Informationen zu LG Energy SolutionLG Energy Solution ist ein weltweit f\u00fchrender Anbieter von fortschrittlichen Lithium-Ionen-Batterien f\u00fcr Elektrofahrzeuge (EV), Mobilit\u00e4ts- und IT-Anwendungen sowie Energiespeichersysteme (ESS). Mit 30 Jahren Erfahrung im Bereich der fortschrittlichen Batterietechnologie entwickelt sich das Unternehmen rasant in Richtung der Verwirklichung eines nachhaltigen Lebens. Mit \u00fcber 24.000 Mitarbeitern in einem zuverl\u00e4ssigen globalen Netzwerk, das sich \u00fcber die USA, Europa, Asien und Australien erstreckt, engagiert sich LG Energy Solution mehr denn je f\u00fcr die Entwicklung innovativer Technologien, die die Energie der Zukunft einen Schritt n\u00e4her bringen. F\u00fcr weitere Informationen besuchen Sie bitte https:\/\/www.lgensol.com. Pressekontakt: Ashlee Semin Shin Kommunikationsteam\/LG Energy Solution ashin0@lgensol.com +82-2-3773-4381 Original-Content von: LG Energy Solution, \u00fcbermittelt durch news aktuell<\/p>\n