Metallic fleece enabling thick lithium-ion electrodes by ultrafast metal surface ion diffusion

Lithium-Ionen-Batteriezellen leiden unter begrenzter Lithium-Ionen-Mobilität und hoher interner elektrischer Widerstand. Daher benötigen Standardzellen Elektroden mit einer Dicke von weniger als 100 µm, um die Ladungsträgerwege in den Elektroden kurz zu halten und das Laden zu ermöglichen. Als Folge davon sind die heutigen wiederaufladbaren Batterien im Design überkomplex und enthalten viele Materialien, die nicht zur Energiedichte beitragen, wie z. B. Metallfolien und Separatoren. Daher liegt es nahe, eine Verbindung einzuführen, die schnelle Elektronen- und Ionenströme innerhalb der Elektroden von wiederaufladbaren Batterien ermöglicht. Zum ersten Mal beschreibt diese Arbeit elektrochemisch funktionale, ultra-dicke Anoden von bis zu 1,2 mm und einer arealen Kapazität von 32 mAh/cm². Übliche dünne Metallfolien-Stromabnehmer werden durch ein elastisches, tatsächlich dreidimensionales Vlies aus ultrafeinen Kupferfasern ersetzt. Die Vlies-Elektroden verwenden im Vergleich zu traditionellen Folien-basierten Elektroden nur die Hälfte der Kupfermenge und bieten daher eine deutlich höhere volumetrische und gravimetrische Energiedichte. Mit der galvanostatischen intermittierenden Titrationstechnik zeigt die Arbeit eine erhöhte Lithium-Ionen-Diffusivität in ultra-dicken Anoden, die aufgrund der perfekten Infiltration des Metallvlieses in das aktive Material möglich ist. Dies fügt Kanäle für ultrafast Lithium-Ionen-Diffusion durch das gesamte aktive Material hinzu. Ein mikrofluidisches Chip in Kombination mit Raman-Spektroskopie und molekulardynamischen Simulationen demonstriert quantitativ und mechanistisch die erhöhte Lithium-Ionen-Diffusivität auf den geladenen Kupferoberflächen des Vlieses durch die Bildung einer Helmholtzschen elektrischen Doppelschicht. Dies demonstriert einen neuen, bisher unbekannten Mechanismus zur Erhöhung der Diffusivität von Lithium-Ionen, der ultra-dicke Elektroden ermöglicht, indem gleichzeitig die Energiedichte erhöht wird. Darüber hinaus ermöglichte diese Entdeckung den Bau funktioneller Vollzellen. Durch die Anwendung von 3D-Metallvlies auf der Anoden- und Kathodenseite wurde erfolgreich eine Batterie mit ~10 mAh/cm² Areal-Kapazität konstruiert. Aufgrund des niedrigen elektrischen und diffusive Widerstands sind die vollständigen Münzzellen in der Lage, gleichzeitig eine hohe Energiedichte und eine relativ hohe Leistungsdichte bereitzustellen. Die Verbesserung des Energie- und Massen-Transports, die durch die Einbettung des metallischen Fasernetzwerks in das aktive Material erreicht wird, ermöglicht den Bau funktionaler ultra-dicker Elektroden mit hoher arealer Kapazität. Zur Weiterentwicklung und Optimierung dieses neuartigen Elektrodesigns habe ich eine physikalisch basierte mathematische Modellierung der Elektrode mit einem digitalen Batteriezwilling durchgeführt, der tiefere Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen bietet und die Möglichkeit gibt, die Lade-/Entladeleistung, Zyklenstabilität, Zellwärmeabgabe und das Degradationsverhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten und vorherzusagen. Aufbauend auf diesen Daten kann eine strukturelle und morphologische Optimierung der Elektrode durchgeführt werden, einschließlich der Optimierung der Geometrie der Metallfasern, der Vliesdichte, der Faserausrichtung, der Befüllung mit aktivem Material und mehr.