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.