Auf dem Weg zur Super-Batterie

Forschungs-Neutronenquelle ermöglicht Einblick in Lithium-Akkus.

Mit Neutronen hat ein Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) tief in das Innere von Batterien geblickt, während diese geladen und entladen wurden. Die aus den Beobachtungen gewonnenen Erkenntnisse könnten dabei helfen, Ladevorgänge zu optimieren.

Wird ein Elektro-Auto aufgeladen, steigt die Ladeanzeige anfangs schnell, zum Schluss aber deutlich langsamer. „Das ist wie beim Einräumen eines Schranks: Am Anfang ist es einfach, Gegenstände in den Schrank zu stellen, aber je voller er wird, desto mehr muss man sich anstrengen, einen freien Platz zu finden“, erklärt Dr. Anatoliy Senyshyn von der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM.

Wie die innere Struktur einer Batterie vor und nach dem Laden aussieht, ist bereits bekannt. Ein Forschungs-Team unter Leitung des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums an der TUM beobachtete nun erstmals auch die Lithium-Verteilung einer Batterie während des kompletten Lade- und Entladeprozesses am Materialforschungsdiffraktometer STRESS-SPEC. Die Messungen überprüften sie am hochauflösenden Pulverdiffraktometer SPODI.

Verteilung der Lithium-Ionen entscheidend

Beim Laden wandern die Lithium-Ionen dabei von der positiv geladenen Elektrode zur negativ geladenen Elektrode, beim Entladen in die andere Richtung.

In den nun durchgeführten Untersuchungen konnten die Forschenden beobachten, dass sich die Verteilung des Lithiums beim Laden und Entladen ständig verändert. „Ist das Lithium ungleich verteilt, funktioniert in Bereichen der Batterie, in denen zu viel oder zu wenig Lithium vorhanden ist, der Austausch von Lithium zwischen Anode und Kathode nicht zu hundert Prozent. Eine gleichmäßige Verteilung steigert dagegen die Leistungsfähigkeit“, erklärt Senyshyn.

Genauer, kleiner, besser

Den Forschenden gelang es, die ungleiche Verteilung von Lithium in einer Batterie mit sehr hoher Auflösung festzuhalten: Um die gesamte Batterie zu erfassen, untersuchten sie ein winziges Teilvolumen nach dem anderen und setzten diese Einzelmessungen dann zu einem großen Bild zusammen.

Mithilfe des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft und der European Synchrotron Radiation Facility ESRF war es möglich, Teilvolumina mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu wählen. Dadurch erkannten die Forschenden, dass nicht nur entlang der Elektrodenschichten, sondern auch senkrecht zu den Schichten das Lithium ungleich verteilt ist.

Schnell laden vs. Reichweite

Die beobachteten Effekte könnten langfristig dabei helfen, Akkus, zum Beispiel für Elektro-Autos, weiterzuentwickeln, so Senyshyn: „Viele Eigenschaften von Batterien lassen sich durch die Verteilung des Lithiums beeinflussen. Wenn wir diese besser unter Kontrolle haben, können wir die Performance von Batterien in Zukunft deutlich verbessern.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Anatoliy Senyshyn
Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) und
Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ)
Technische Universität München
+49 89 289 14316
anatoliy.senyshyn@frm2.tum.de

Originalpublikation:

D. Petz, M. J. Mühlbauer, V. Baran, A. Schökel, V. Kochetov, M. Hofmann, V. Dyadkin, P. Staron, G. Vaughan, U. Lienert, P. Müller-Buschbaum, A. Senyshyn
Lithium distribution and transfer in high-power 18650-type Li-ion cells at multiple length scales
Energy Storage Materials, Volume 41 (2021), Pages 546-553
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.06.028

https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/details/37453