Angefangen von mobilen Geräten wie Tablets und Digitalkameras bis hin zur E-Mobilität wie Pedelecs und E-Autos: Lithium-Akkus sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig wissen wir: Die kleinen Speicherwunder sind empfindlich und verlieren mit der Zeit an Kapazität. Denn bei jeder neuen Aufladung bilden sich manchmal Mikrostrukturen an den Elektroden, die die Kapazität weiter reduzieren. Die Akkus altern also. Und das lässt sich, trotz steter Optimierung, bis heute nicht verhindern.
Den Lithium-Ionen beim Wandern zuschauen
Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums Berlin HZB schauten sich nun ‒ gemeinsam mit Batterieforschern aus dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Münster und Partnern aus Forschungseinrichtungen in China ‒, den Alterungsprozess der Akkus unter einem 3D-Tomographen an. Das Augenmerk des internationalen Forschungs-Teams lag dabei darauf, mit mikroskopischer Genauigkeit zu beobachten, was im Inneren des Akkus an den Grenzflächen zwischen den Elektroden, dort, wo die Lithium-Ionen wandern, genau geschieht.
Für ihre Arbeiten nutzten die Wissenschaftler unter anderem das 3D-Tomographieverfahren mit Synchrotronstrahlung an BESSY II (HZB) – es erzeugt besonders brillantes Röntgenlicht. Mit dieser einzigartigen Methode lassen sich zerstörungsfreie 3D-Abbildungen aus dem Inneren von Proben erstellen.
Beobachtung von Aufladung und Entladung
Dr. Ingo Manke, Forschungsleiter und Experte für 3D-Tomographie mit Synchrotronstrahlung, untersuchte mit seinem Team eine Reihe von unterschiedlichen Lithium-Zellen. Diese beobachteten sie einerseits während der Aufladung. Aber auch während der Entladung, sozusagen „operando“ – also während des Betriebs. Zusätzlich betrachteten sie verschiedene Zyklusbedingungen. Bei allen untersuchten Zellen bestand eine Elektrodenseite aus reinem Lithium, während die andere Seite – je nach Wahl – aus unterschiedlichen Elektroden-Materialien bestand.
Die Tomographien zeigen, wie bereits nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen eine Schicht aus Mikrostrukturen zwischen der Separatorschicht und der Lithium-Elektrode entsteht. 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.
Erstmaliges Bild von Degradationsmechanismus
Damit haben wir erstmals ein vollständiges Bild des Degradationsmechanismus in Lithium-Elektroden“, erklärt Dr. 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.
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