Festkörperbatterien werden in einer maßgeschneiderten Hardware geladen und entladen, die an der Georgia Tech entwickelt wurde. Eine kleinere, modifizierte Version der hier gezeigten Zelle wurde verwendet, um diese Materialien während des Zyklus abzubilden. Foto: Matthew McDowell, Georgia Tech

Festkörperbatterien werden in einer maßgeschneiderten Hardware geladen und entladen, die an der Georgia Tech entwickelt wurde. Eine kleinere, modifizierte Version der hier gezeigten Zelle wurde verwendet, um diese Materialien während des Zyklus abzubilden. Foto: Matthew McDowell, Georgia Tech

Mit Röntgenstrahlen Batterien optimieren

Publiziert

Leistungsstarke Röntgenstrahlen beobachten das Laden und Entladen von Festkörperbatterien.

Trotz des weltweiten Einsatzes von Lithium-Batterien ist die genaue Dynamik ihres Betriebs schwer zu ergründen. Röntgenstrahlen haben sich als leistungsfähiges Werkzeug erwiesen, um in das Innere dieser Batterien zu blicken und die Veränderungen, die in Echtzeit auftreten, zu sehen.

Mit Hilfe der ultrahellen Röntgenstrahlen der Advanced Photon Source (APS), einer Nutzereinrichtung des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science am Argonne National Laboratory des DOE, beobachtete ein Forscherteam kürzlich die innere Entwicklung der Materialien in Lithium-Festkörperbatterien, während sie geladen und entladen wurden. Diese detaillierten 3D-Informationen können helfen, die Zuverlässigkeit und Leistung der Batterien zu verbessern, die feste Materialien als Ersatz für die entflammbaren flüssigen Elektrolyte in bestehenden Lithium-Ionen-Batterien verwenden.

Mit Hilfe einer kleinen (etwa zwei Millimeter breiten) zylindrischen Batterie konnten die Forscher an der APS-Beamline 2-BM 3D-Bilder der strukturellen Veränderungen während der Lade- und Entladezyklen der Batterie aufnehmen, während diese stattfanden.

«Die Hauptmerkmale dieser Beamline, die diese Forschung möglich gemacht haben, sind die hohe Empfindlichkeit und die sehr hohe Geschwindigkeit», sagt Francesco De Carlo, Gruppenleiter in der Röntgenwissenschaftlichen Abteilung von Argonne und Mitautor der Studie. «Die Empfindlichkeit half dem Team, zwischen Phasen mit ähnlichen Dichten innerhalb der Batterie zu unterscheiden, und die Geschwindigkeit erlaubte es ihnen, die Veränderungen innerhalb der Batterie zu erfassen, während sich der Prozess entwickelte.»

Winzige Hohlräume entdeckt

Diese klaren Bilder zeigten, wie die dynamischen Veränderungen der Elektrodenmaterialien an den Lithium/Festkörper-Elektrolyt-Grenzflächen das Verhalten von Festkörperbatterien bestimmen. Die Forscher fanden heraus, dass sich im Batteriebetrieb winzige Hohlräume - aufgelöst bis zu 1-2 Mikrometer groß, etwa 50 Mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares - an der Grenzfläche bildeten, die einen Kontaktverlust verursachten, der die Hauptursache für das Versagen der Zellen war.

«Diese Arbeit liefert ein grundlegendes Verständnis darüber, was im Inneren der Batterie passiert, und diese Informationen sollten wichtig sein, um die technischen Bemühungen zu lenken, die diese Batterien in den nächsten Jahren näher an die kommerzielle Realität heranführen werden», sagte Matthew McDowell, einer der Autoren der Arbeit und Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und der School of Materials Science and Engineering am Georgia Institute of Technology. «Wir waren in der Lage, genau zu verstehen, wie und wo sich Hohlräume an der Grenzfläche bilden, und dies dann mit der Batterieleistung in Verbindung zu bringen.»

Die Forschung wurde in Nature Materials veröffentlicht.

EVENTS

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 11 – 14 Juni 2024

Ort: Genf (CH)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Europas führende Plattform für Forschung und Innovationskraft

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Jena (D)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 25.-28. September 2024

Ort: Düsseldorf (D)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 08.-09. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 17.-18. März 2025

Ort: Berlin (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 16.-18. September 2025

Ort: Basel (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des globalen Wasserkreislaufs

Datum: 04.-06. Februar 2026

Ort: Bulle (CH)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 24.-27. März 2026

Ort: München (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis