Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin haben herausgefunden, was genau im Inneren von Lithium-Akkus passiert, wenn sie ge- und entladen werden. Die Ergebnisse könnten aufschlussreich für die Entwicklung langlebiger Akkus sein.
Das Problem ist altbekannt: Je öfter ein Akku geladen und genutzt wird, desto geringer wird die Kapazität – die Akkus altern. Grob sind die Prozesse bekannt, die dazu führen. Doch erst jetzt hat ein internationales Team unter Federführung von Forschern des Helmholtz-Zentrums Berlin mit mikroskopischer Genauigkeit beobachtet, was im Inneren des Akkus an den Grenzflächen zwischen den Elektroden genau geschieht, wenn die Lithium-Ionen wandern.
Akkus mit 3D-Tomographie untersucht
Dr. Ingo Manke, der das Team leitet, ist Experte für 3D-Tomographie mit Synchrotronstrahlung, einem besonders intensiven Röntgenlicht. Mit dieser zerstörungsfreien, bildgebenden Methode lassen sich 3D-Abbildungen aus dem Inneren von Proben erstellen. An „Bessy II“, einer Synchrotronstrahlungsquelle des Helmholtz-Zentrums, steht diese Methode mit hoher Präzision an der Beamline der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zur Verfügung.
Mankes Team untersuchte eine Reihe von unterschiedlichen Lithium-Zellen während der Aufladung und Entladung unter verschiedenen Zyklusbedingungen. Bei allen untersuchten Zellen bestand eine Elektrodenseite aus reinem Lithium, während die andere Seite je nach Wahl aus unterschiedlichen Elektroden-Materialien bestand.
Mikrostrukturen bilden sich nach bereits wenigen Lade-Zyklen
Die Tomographien zeigen, wie sich bereits nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen eine Schicht aus Mikrostrukturen zwischen der Separatorschicht und der Lithium-Elektrode bildet. 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.
„Damit haben wir erstmals ein vollständiges Bild des Degradationsmechanismus in Lithium-Elektroden“, sagt 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.
Autor: Katharina Juschkat
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