Ga-Sn-Flüssigmetalllegierungen (LMAs) als Anoden für Li-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte in festem Zustand

Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuartigen hybriden Flüssigmetall-Legierungsanode für Lithium-Ionen-Batterien in festem Zustand (ASSLiBs) unter Verwendung von Ga-Sn oder anderen p-Block-Elementen mit Kohlenstoffträger. Der Grund dafür sind die Einschränkungen herkömmlicher Li-Metall-Anoden, die unter einer hohen Reaktivität mit Festelektrolyten (SEs), Dendritenbildung und einer instabilen Grenzfläche leiden, was zu einer Verschlechterung und einem Ausfall der Batterie führt. Legierungselektroden wie Si und Sn bieten zwar eine hohe Kapazität, unterliegen aber einer erheblichen Volumenexpansion (~400% für Si), was zu mechanischer Instabilität und schlechter Zyklenleistung führt.
Die vorgeschlagene Ga-Sn-Anode soll diese Probleme lösen, indem sie die Selbstheilungskräfte von Ga nutzt, die die Volumenausdehnung abschwächen und die Bildung von Dendriten verhindern können. Im Rahmen des Projekts werden die Li+-Speichermechanismen, die Stabilität der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche und die Phasenänderungen in Festkörperkonfigurationen untersucht. Li6PS5Cl wird aufgrund seiner hohen ionischen Leitfähigkeit (10-² bis 10-³ S cm-¹) als SE dienen. Elektrochemische Verfahren wie galvanostatische Ladungsentladung, zyklische Voltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) werden die Leistung bewerten, während in-situ/ex-situ XRD- und Synchrotronstudien strukturelle Veränderungen untersuchen werden.
Zur weiteren Verbesserung der Grenzflächenstabilität wird ein Li+-leitendes kovalentes organisches Gerüst (COF) oder ein wasserstofforganisches Gerüst (HOF) an der Anoden-SE-Grenzfläche eingeführt, und die Li enthaltende NbO2-Beschichtung wird auf die LiNiMnO2 (NMO)-Kathode aufgebracht.