Batterie im Live-Blick: Mithilfe der Röntgenmikroskopie haben US-Forscher sichtbar gemacht, was in einem Lithium-Ionen-Akku beim Laden und Entladen passiert – und das im Nanometer-Maßstab. Der Nanoblick in die Batterie zeigt in Echtzeit, wie die winzigen Kathodenkristalle Lithium aufnehmen und wieder abgeben. Dabei stellte sich unter anderem heraus, dass es „Turbo-Zonen“ in diesen Körnchen gibt, die besonders schnell reagieren, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.
Lithium-Ionen-Akkus stecken in Handys, Computern und Kameras, aber auch in Elektroautos und weiteren Geräten. Doch diese Batterien haben einige Schwächen: Sie verlieren im Laufe der Zeit an Leistung und können bei Überhitzung sogar explodieren. Zwar haben Forscher einige Methoden entwickelt, um die Akkus sicherer und leistungsfähiger zu machen, was jedoch auf der Nanoebene in der Batterie passiert, war bisher nur in Teilen bekannt.
Jetzt haben Jongwoo Lim von der Stanford University und seine Kollegen eine Methode entwickelt, mit der man in Echtzeit in die Mikrowelt der Lithium-Ionen-Akkus hineinschauen kann. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren sieht man dabei nicht nur Konzentrationsunterschiede der Elektrolyt- und Elektrodensubstanzen oder die Wärmeverteilung, sondern kann verfolgen, wie sich einzelne Teilchen der als Kathode verwendeten Lithium-Eisen-Phosphor-Verbindung (LixFePO4) beim Laden und Entladen verhalten.
30 Kathodenpartikel im Visier
Dieser neuartige Einblick in die Lithium-Ionen-Akkus gelang den Forschern mit Hilfe eines speziellen Röntgenverfahrens, der Transmissions-Röntgenmikroskopie. Bei dieser wird ein fokussierter Strahl weichen Röntgenlichts auf eine Probe gerichtet und diese zerstörungsfrei durchstrahlt.
Für ihr Experiment bauten die Forscher eine Lithium-Ionen-Batterie in einem kleinen Probenbehälter nach.
So konnten sie beobachten, was sich auf der Ebene einiger weniger bis zu hunderten Nanometern im Akku tat. „Das ist der Größenbereich, in dem die fundamentalen Prozesse stattfinden, die für die Ladezeit und den Leistungsabfall der Akkus entscheidend sind“, erklärt Seniorautor William Chue von der Standford University. Das Röntgenmikroskop erfasste rund 30 kristalline LixFePO4-Partikel auf einen Blick – und das nahezu in Echtzeit.
Kristallkörnchen mit „Turbo-Zonen“
Wird der Lithium-Ionen-Akku geladen, geben die positiv geladenen Kathoden-Partikel Lithium-Ionen ab. Entlädt sich die Batterie, nehmen sie allmählich wieder Lithium auf. Wie nun der Nanoblick in den Akku enthüllt, geschieht dies keineswegs gleichmäßig. Stattdessen gibt es in den winzigen Körnchen Bereiche, die besonders schnell Ionen aufnehmen oder abgeben, während andere Zonen hinterher hinken.
Dadurch kommt es während des Ladens und Entladens an der Oberfläche der Partikel zu klar abgegrenzten Bereichen unterschiedlich hohen Lithiumgehalts, wie die Forscher berichten. Die Röntgenmikroskopie enthüllte auch, dass die Lithiumabgabe beim Laden des Akkus sehr viel weniger homogen abläuft als das Entladen. „Diese Unterschiede könnten erklären, warum das Spannungsprofil beim Laden und Entladen so asymmetrisch ist“, so Lim und seine Kollegen.
Die Wissenschaftler hoffen, dass diese und weitere Beobachtungen im Nanomaßstab dabei helfen, Lithium-Ionen-Akkus künftig weiter zu optimieren. „Wir haben nun ein Verfahren, mit dem wir die entscheidenden Prozesse in Echtzeit und auf der Mikroebene analysieren können“, sagt Koautor David Shapiro vom Lawrence Berkeley National Laboratory. „Das hilft uns, die Prozesse besser zu verstehen und zu verbessern.“ (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aaf4914)
(DOE/ Lawrence Berkeley National Laboratory, 08.08.2016 – NPO)
