Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien: Neutronen enthüllen den trägen Ladungstransport

Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien das Potenzial für eine wesentlich höhere Energiedichte und mehr Sicherheit.

Allerdings ist die Leistung von Festkörperbatterien derzeit unzureichend, was vor allem an der langsamen Ladung und Entladung liegt. Eine neue Studie des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) zeigt nun, dass der langsame Transport von Lithium-Ionen innerhalb einer Verbundkathode die Ursache für das langsame Laden und Entladen ist, so die Forscher in einer Pressemitteilung.

Die Wissenschaftler haben eine spezielle Zelle konstruiert, um den Transport von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode in einer Lithium-Schwefel-Festkörperbatterie zu beobachten. Da sich Lithium mit Röntgenmethoden kaum nachweisen lässt, untersuchten die HZB-Physiker Dr. Robert Bradbury und Dr. Ingo Manke die Probenzelle mit Neutronen, die extrem empfindlich auf Lithium reagieren.

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Lithium-Ionen direkt beobachtet

“Wir haben jetzt eine viel bessere Vorstellung davon, was die Leistungsfähigkeit der Batterie einschränkt”, sagt Bradbury: “Aus den Daten der operando Neutronenradiographie sehen wir, dass sich eine Reaktionsfront von Lithium-Ionen durch die Verbundkathode ausbreitet, was den negativen Einfluss einer niedrigen effektiven Ionenleitfähigkeit bestätigt.” Darüber hinaus zeigen die 3D-Neutronentomographie-Bilder, dass sich das eingeschlossene Lithium während des Aufladens in der Nähe des Stromabnehmers konzentriert. “Dies führt zu einer verminderten Kapazität, da nur ein Teil des Lithiums beim Aufladen der Batterie zurücktransportiert wird”, so Bradbury weiter.

Die beobachtete Lithiumverteilung passte hervorragend zu einem Modell, das auf der Theorie poröser Elektroden basiert: “Was wir hier in den Neutronenbilddaten beobachten, korreliert gut mit den relevanten elektronischen und ionischen Leitfähigkeitsbedingungen aus dem Modell”, sagt Bradbury.

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Engpass identifiziert

Diese Ergebnisse enthüllen einen bisher übersehenen Engpass bei der Entwicklung von Festkörperbatterien und zeigen, dass es aufgrund des langsamen Ionentransports Einschränkungen bei den Kathodenverbundstoffen gibt. Die Herausforderung besteht nun darin, einen schnelleren Ionentransport innerhalb des Kathodenverbunds zu ermöglichen. “Ohne die direkte Visualisierung der Reaktionsfront innerhalb des Kathodenverbunds wäre dieser Effekt möglicherweise unbemerkt geblieben, obwohl er für die Entwicklung von Festkörperbatterien von großer Bedeutung ist”, so Bradbury.