3D-Tomographien zeigen, wie Lithium-Akkus altern
Die Tomographie einer neuwertigen Lithium-Elektrode.
Nach wenigen Lade- und Entlade-Zyklen sind erste Veränderungen sichtbar.
Nach längerer Betriebsdauer bilden sich Bereiche, die die Leistungsfähigkeit reduzieren und Kurzschlüsse hervorrufen können. © M. Osenberg / I. Manke / HZB
Lithium-Akkus verlieren mit der Zeit an Kapazität. Bei jeder neuen Aufladung können sich Mikrostrukturen an den Elektroden bilden, die die Kapazität weiter reduzieren. Nun hat ein HZB-Team zusammen mit Batterieforschern aus dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Münster und Partnern aus Forschungseinrichtungen in China den Prozess der Degradation von Lithium-Elektroden erstmals im Detail dokumentiert. Dies gelang ihnen mithilfe eines 3D-Tomographieverfahrens mit Synchrotronstrahlung an BESSY II (HZB) sowie am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht (Open Access).
Ob in der Elektromobilität, in der Robotik oder der IT – Lithium-Akkus werden einfach überall eingesetzt. Trotz jahrzehntelanger Optimierung lässt sich bisher jedoch nicht verhindern, dass solche Akkus „altern“. Mit jedem Ladungszyklus geht Kapazität verloren. Grob sind die Prozesse bekannt, die dazu führen. Doch erst jetzt hat ein internationales Team unter Federführung von HZB-Forschern um Dr. Ingo Manke mit mikroskopischer Genauigkeit beobachtet, was im Inneren des Akkus an den Grenzflächen zwischen den Elektroden genau geschieht, wenn die Lithium-Ionen wandern.
Lithium-Zellen beim Aufladen und Entladen untersucht
Manke ist Experte für 3D-Tomographie mit Synchrotronstrahlung, einem besonders intensiven Röntgenlicht. Mit dieser zerstörungsfreien, bildgebenden Methode lassen sich 3D-Abbildungen aus dem Inneren von Proben erstellen. An BESSY II steht diese Methode mit besonders hoher Präzision an der Beamline der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) zur Verfügung. Mankes Team untersuchte eine Reihe von unterschiedlichen Lithium-Zellen während der Aufladung und Entladung (operando = während des Betriebs) unter verschiedenen Zyklusbedingungen. Bei allen untersuchten Zellen bestand eine Elektrodenseite aus reinem Lithium, während die andere Seite je nach Wahl aus unterschiedlichen Elektroden-Materialien bestand. Ein Teil der Untersuchung fand dabei auch am Helmholtz-Zentrum Geesthacht statt.
Bildung von MIkrostrukturen
Die Tomographien zeigen, wie sich bereits nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen eine Schicht aus Mikrostrukturen zwischen der Separatorschicht und der Lithium-Elektrode bildet. Diese Mikrostrukturen bestehen aus Reaktionsverbindungen, die sich im Elektrolyten bilden. Sie können unterschiedliche Gestalt annehmen, von einem eher ungeordneten Schlamm über moosartige Strukturen bis hin zu nadelförmigen Dendriten, die sogar gefährliche Kurzschlüsse im Akku verursachen können.
„Damit haben wir erstmals ein vollständiges Bild des Degradationsmechanismus in Lithium-Elektroden“, sagt Ingo Manke. Dies ist nicht nur für das grundlegende Verständnis von Alterungsprozessen in Batterien interessant, sondern liefert insbesondere auch wertvolle Hinweise für das Design von langlebigeren Batterien.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II haben nun ein Team von Wissenschaftlern mehrerer chinesischer Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.