Degradation: 3D-Tomography of Lithium Electrode ©M. Osenberg / I. Manke / HZB

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.

Before: 3D-Tomography Lithium Electrode ©M. Osenberg / I. Manke / HZB

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.

Shortly after Loading / Unloading: 3D-Tomography Lithium Electrode ©M. Osenberg / I. Manke / HZB

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.

Dieser Artikel könnte Sie auch interessieren:

Design-Prinzipien sollen Smartphone-Akkus sicherer machen

Deutscher Studienpreis für Einblicke in Lithium-Ionen Zellen

Zerstörungsfreie Rückgewinnung von Kathodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien

 

Werden Sie Mitglied!

Auf Innovation Origins können Sie täglich die neuesten Nachrichten über die Welt der Innovation lesen. Wir wollen, dass es so bleibt, aber wir können es nicht allein tun! Gefallen Ihnen unsere Artikel und möchten Sie den unabhängigen Journalismus unterstützen? Dann werden Sie Mitglied und lesen Sie unsere Geschichten garantiert werbefrei.

Über den Autor

Author profile picture Almut Otto ist Autorin und bringt über 30 Jahre Know-how in der Kommunikations-Branche mit. Sie lernte das Journalisten-Handwerk von der Pike auf bei einer Tageszeitung und in einem Special Interest Magazin. Nach dem Studium der Kommunikationswissenschaften in München war sie lange Zeit als internationaler PR Manager in der Textil-, Schuh-, Outdoor- und auch IT-Industrie tätig. Seit einigen Jahren konzentriert sie sich wieder mehr auf ihre journalistische Herkunft. Als passionierte Outdoor- und Wassersportlerin ‒ zu ihren Hobbys zählen Windsurfen, Kitesurfen, SUP-Boarden, Segeln und Snowboarden ‒, interessiert sie sich vor allem für die Reinhaltung der Ozeane und die Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft. Zudem ist sie stets fasziniert von neuesten Entwicklungen aus den Hard- und Software-Laboren dieser Welt.