Lithium-Ionen-Batterien haben die mobile Elektronik revolutioniert und werden in neuen Energieanlagen verwendet. Weitere Verbesserungen in Bezug auf Lebensdauer und Leistung erfordern jedoch neue Technologien. Eine Option sind Lithium-Metall-Batterien, die länger halten. Der Ladevorgang ist schneller, es gibt jedoch ein Problem bei dieser Technik: Lithiumablagerungen, sogenannte Dendriten, neigen dazu, an der Anode zu wachsen, was zu einem Kurzschluss führen kann, der zu Batterieausfall, Feuer oder Explosion führen kann.
Forscher des Instituts für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des China High Voltage Science and Technology Research Center haben nun einen Membrantrenner entwickelt, der auf Kohlenstoffallotropen basiert und als Graphdiyne bezeichnet wird Lithium-Ionen-Filter und Verhinderung des Dendritenwachstums 'Shang et al., Material.10 (2018) 191-199'.
Eine Lithium-Metall-Batterie ist konzeptionell einer Lithium-Ionen-Batterie ähnlich, sie beruht jedoch auf einer Lithium-Metall-Anode: Während der Entladung liefert die Lithium-Metall-Anode der Kathode über einen externen Stromkreis Elektronen, während beim Laden Lithium-Metall auf der Anode abgeschieden wird. Dabei können sich unerwünschte Dendriten bilden.
An dieser Stelle tritt die Separatormembran ein: Ein Dünnfilmseparator aus ultradünnem (10 nm) Graphit-Diamin (einer zweidimensionalen hexagonalen Kohlenstoff-Monoschicht, die von einer Diacetylen-Kette überbrückt wird) besitzt einige bemerkenswerte Eigenschaften. Graphitisches Diamin ist nicht nur elastisch und robust zugleich, seine chemische Struktur bildet auch ein gleichmäßiges poröses Netzwerk, in dem nur ein Lithiumion durch jedes Loch strömt. Dadurch wird die Bewegung der Ionen durch die Membran reguliert, wodurch die Diffusion der Ionen sehr gleichförmig wird. Diese Eigenschaft der Batterie hemmt wirksam das Wachstum von Lithiumdendriten.
Li Yuliang vom Institute of Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der die Forschung leitete, erklärte: "Durch die Unterdrückung von Lithiumdendriten kann die Grenzfläche zwischen Festelektrolyten stabilisiert werden, wodurch die Lebensdauer und die Coulomb-Effizienz der Geräte erhöht werden." .
Die Forscher gehen davon aus, dass Diinfilme aus Graphit einige der derzeit schwierigen Probleme von Lithium- und anderen Alkalimetallbatterien überwinden können.
"Graphit-Diamin ist ein ideales Material mit überkonjugierter Struktur, inhärenter Bandlücke, natürlicher makroporöser Struktur und Halbleitereigenschaften, was große Chancen für die Lösung großer wissenschaftlicher Probleme auf diesem Gebiet bietet", sagte Li.
Zweidimensionale Materialien sind auch unter normalen Laborbedingungen einfach und leicht herzustellen.
"Obwohl weitere Anstrengungen erforderlich sind, um die Qualität der Diemembranen aus Graphit in großem Maßstab zu verbessern, glauben wir, dass Graphitdiacetylen einige wichtige Durchbrüche in der Sicherheit von Lithiumbatterien bringen kann", sagten die Forscher den Reportern.
