Innovative Batterie-Elektrode aus Zinn-Schaum
Zinn lässt sich zu einem hochporösen Schaum verarbeiten. Wie dieser Zinn-Schaum (abgebildet) sich als Batterieelektrode verhält, hat ein interdisziplinäres Team am HZB untersucht. © B. Bouabadi / HZB
Metallbasierte Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus versprechen deutlich höhere Kapazitäten als konventionelle Graphit-Elektroden. Leider degradieren sie aufgrund von mechanischen Beanspruchungen während der Lade- und Entladezyklen. Nun zeigt ein Team am HZB, dass ein hochporöser Schaum aus Zinn den mechanischen Stress während der Ladezyklen deutlich besser abfedern kann. Das macht Zinn-Schäume als potentielles Material für Lithium-Batterien interessant.
Moderne Lithium-Ionen-Batterien setzen in der Regel auf eine mehrschichtige Graphit-Elektrode, während die Gegenelektrode oft aus Kobaltoxid besteht. Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen in das Graphit ein, ohne signifikante Volumenänderungen des Materials zu verursachen. Die Kapazität von Graphit ist jedoch begrenzt, die Suche nach alternativen Materialien wird dadurch zu einem spannenden Forschungsgebiet. So bieten Metallbasierte Elektroden, beispielsweise aus Aluminium oder Zinn, potenziell eine höhere Kapazität. Allerdings neigen sie bei der Lithiumaufnahme zu einer deutlichen Volumenausdehnung, was mit Strukturveränderungen und Materialermüdung verbunden ist.
Eine Option, um Metall-Elektroden zu realisieren, die weniger rasch „ermüden“, besteht in der Nanostrukturierung der dünnen Metallfolien. Eine andere Option ist die Anwendung von porösen Metallschäumen. Als Metall ist Zinn besonders attraktiv, denn es besitzt eine fast dreimal höhere Kapazität pro Kilogramm als Graphit und ist darüber hinaus kein seltener Rohstoff sondern reichlich vorhanden.
Ein Forschungsteam aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat nun verschiedene Arten von Zinnelektroden während des Entlade- und Ladevorgangs mit operando Röntgenbildgebung untersucht, und einen innovativen Ansatz entwickelt, um diesem Problem zu begegnen. Ein Teil dieser Untersuchungen fand dabei an der BAMline an BESSY II statt. Außerdem entstanden hochaufgelöste radioskopische-Röntgen-Aufnahmen in Zusammenarbeit mit den Imaging-Experten Dr. Nikolai Kardjilov und Dr. André Hilger am HZB. „Auf diese Weise konnten wir die strukturellen Veränderungen in den untersuchten Elektroden auf Sn-Metallbasis während der Lade-/Entladevorgänge verfolgen“, sagt Dr. Bouchra Bouabadi, die die experimentelle Studie durchgeführt hat. In Zusammenarbeit mit dem Batterieexperten Dr. Sebastian Risse zeigt sie, wie sich die Morphologie der Zinnelektroden während des Betriebs durch die inhomogene Aufnahme von Lithium-Ionen verändert.
Die beste Variante der Zinn-Elektrode fertigte Dr. Francisco Garcia-Moreno an: Einen Schaum aus Zinn mit unzähligen, mikrometergroßen Poren. „Wir konnten zeigen, dass in einem solchen Zinn-Schaum deutlich weniger mechanischer Stress während der Volumenausdehnung auftritt“, sagt Dr. Risse. Das macht Zinn-Schäume als potentielles Material für Lithium-Batterien interessant.
Garcia-Moreno hat bereits zahlreiche Metallschäume untersucht, darunter auch solche für Bauteile in der Automobilindustrie und Aluminiumschäume für Batterieelektroden. „Die von uns an der TU Berlin entwickelten Zinnschäume sind hochporös und eine interessante Alternative zu traditionellen Elektrodenmaterialien“, sagt er. Dabei sei die Strukturierung von Zinnschäumen entscheidend, um mechanische Belastung maximal zu reduzieren. Auch aus wirtschaftlicher Sicht könnte die Zinn-Schaum-Technologie interessant sein: „Obwohl Zinnschaum teurer ist als herkömmliche Zinnfolien, bietet er eine kostengünstigere Alternative zu teuren Nanostrukturierungen, während er gleichzeitig deutlich mehr Lithium-Ionen speichern kann und damit eine Steigerung der Kapazität ermöglicht.“
- 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.