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: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.