LiF-geschützte Lithium-Anode ermöglicht ultra-stabile, brandsichere Batterien

Eine neue Studie, veröffentlicht in Carbon Energy am 23. September 2025, präsentiert eine fein abgestimmte Strategie, die Lithium-Metall-Anoden stabilisiert, indem eine LiF-reiche künstliche Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) aufgebaut wird. Diese wirkt korrosiven Effekten von Flammschutzmitteln entgegen und bewahrt gleichzeitig eine außergewöhnliche Zyklenstabilität. Die Forschung, durchgeführt von Teams der Hebei University of Science and Technology, der City University of Hong Kong und der Hainan University, adressiert eine kritische Herausforderung in der Batterieentwicklung: wie sowohl Brandsicherheit als auch Langzeitperformance in hoch-energiedichten Lithium-Metall-Batterien erreicht werden können.

Lithium-Metall-Batterien bieten eine außergewöhnliche theoretische Kapazität, stehen aber vor praktischen Herausforderungen wie Dendritenwachstum, instabiler Grenzflächenchemie und der Entflammbarkeit konventioneller Elektrolyte. Während Gel-Polymer-Elektrolyte die Sicherheit verbessern, benötigen sie typischerweise große Mengen an Flammschutzmitteln wie Triphenylphosphat (TPP), die die Feuerbeständigkeit erhöhen, aber dazu neigen, in die SEI einzudringen und Zersetzungsreaktionen auszulösen, die Lithium stark korrodieren. Diese Korrosion verkürzt die Batterielebensdauer dramatisch und schafft einen dringenden Bedarf an Grenzflächen- und Elektrolytdesigns, die sowohl Flammhemmung als auch Langzeitstabilität der Anode gewährleisten.

Die Forscher entwickelten einen hoch mit TPP beladenen flammenhemmenden Gel-Polymer-Elektrolyten mittels einer koaxialen Elektrospinn-Technik. Sie schufen ein Doppel-Einschluss-Design mit einem TPP/PVDF-HFP-Verbundkern, umhüllt von einer PAN/PVDF-HFP-Schale. Diese Struktur, detailliert in der unter https://doi.org/10.1002/cey2.70077 veröffentlichten Studie, bewahrt eine hohe Flammhemmung und unterdrückt gleichzeitig korrosive Nebenreaktionen durch starke chemische Wechselwirkungen und physikalische Einschließung. Um die Anodengrenzfläche weiter zu verstärken, tauchte das Team Lithium-Metall in einen 5% FEC-haltigen Elektrolyten ein, wodurch eine gleichmäßige und dichte LiF-reiche SEI-Schicht entstand, die TPP-Eindringen blockiert und die Anodenkorrosion erheblich reduziert.

Elektrochemische Tests bestätigten die Wirksamkeit des Designs. Li||Li-Zellen arbeiteten stabil für 2400 Stunden bei 0,5 mA cm⁻² und 1500 Stunden bei 5 mA cm⁻². In Vollzell-Konfigurationen behielten LFP||Li-Zellen 98,9% ihrer Kapazität nach 1500 Zyklen bei 1 C und bewahrten 81,7% Kapazität nach 6000 Zyklen bei 10 C, was eine außergewöhnliche Haltbarkeit unter Schnellladebedingungen demonstriert. Der federführende korrespondierende Wissenschaftler betonte, dass präzise Grenzflächenentwicklung entscheidend für den Fortschritt von Sicherheit und Haltbarkeit sei, und erklärte, dass die Integration eines Doppel-Einschluss-Flammschutz-Elektrolyten mit einer LiF-reichen künstlichen SEI den langjährigen Konflikt zwischen Brandschutz und Anodenstabilität löst.

Diese kombinierte SEI-Elektrolyt-Strategie stellt eine vielversprechende Richtung für die Entwicklung von hochleistungsfähigen, intrinsisch sichereren Lithium-Metall-Batterien dar, die für Elektrofahrzeuge, Netzspeicher, Luft- und Raumfahrtsysteme und flexible Pouch-Zellen der nächsten Generation geeignet sind. Das zugrundeliegende Designprinzip – die Kombination von chemischem Einschluss, struktureller Einkapselung und gezielter SEI-Entwicklung – könnte potenziell auch auf andere reaktive Anoden und Hochspannungskathoden angewendet werden. Während die globale Nachfrage nach Hoch-Energie-Batterien bei strengen Sicherheitsanforderungen zunimmt, könnte dieser Ansatz die praktische Einführung von Lithium-Metall-Technologien beschleunigen, die bisher durch Sicherheits-Leistungs-Kompromisse begrenzt waren.