Dem Rätsel der kürzeren Lebensdauer von Feststoffbatterien auf der Spur
Feststoffbatterien speichern mehr Energie und sind sicherer als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, leben aber nicht so lange. Ein Forschungsteam in Berlin hat jetzt einen Ansatz gefunden, wie das Problem sich besser untersuchen lässt.
Foto: picture alliance / Global Travel Images
Ein Team des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) und der Justus-Liebig-Universität Gießen hat eine neue Methode entwickelt, um elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie genau zu verfolgen. Möglich macht das der Einsatz des Großforschungsgeräts Bessy II am HZB. Bessy II ist ein Elektronenringbeschleuniger, der Röntgenstrahlung für die Forschung zur Verfügung stellt und mit dessen Hilfe es in Zukunft auch gelingen soll, Batteriematerialien und -design für Feststoffbatterien zu verbessern.
Feststoffbatterien sind deshalb so wichtig, weil sie als Nachfolgetechnik der üblicherweise mit einem Flüssigelektrolyten arbeitenden Lithium-Ionen-Batterien gelten. Sie wären sicherer und hätten eine höhere Energiedichte, was vor allem für den Einsatz im Transport wichtig ist – allen voran bei Pkw, aber nicht nur dort. Das große Manko ist, dass sie nicht so lange leben wie die bisher im Einsatz befindlichen Lithium-Ionen-Akkus. Der Grund dafür: „An den Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrode bilden sich Zersetzungsprodukte und Zwischenphasen, die den Transport der Lithium-Ionen behindern und zu einem Verbrauch von aktivem Lithium führen, sodass die Kapazität der Batterien mit jedem Ladezyklus abnimmt“, schreibt das HZB in einer Mitteilung.
Hier wird Ihnen ein externer Inhalt von X (vormals twitter.com) angezeigt.
Mit der Nutzung des Inhalts stimmen Sie der Datenschutzerklärung
von youtube.com zu.
A team from HZB and @jlugiessen, presents a new method for precisely monitoring electrochemical reactions during the operation of a solid-state battery🔋 using photoelectron spectroscopy at @HZB_BESSY https://t.co/OsCZVOZoo9
— Helmholtz-Zentrum Berlin (@HZBde) July 11, 2024
Die Feststoffbatterie wird im Betrieb betrachtet, um die Prozesse zu verstehen
Nun könnte man meinen: Zu jeder technischen Herausforderung findet sich eine Lösung, wenn klar ist, wo das Problem liegt. Aber gerade da liegt bisher der Knackpunkt, nämlich bei der sogenannten Charakterisierung. Was passiert dort wirklich in so einer Feststoffbatterie, weshalb sie nicht so lange lebt? Erst wenn wir das wissen, können wir bessere Feststoffbatterien entwickeln.
Die HZB-Forscher Elmar Kataev und Marcus Bär haben jetzt mithilfe von Bessy II einen neuen Ansatz entwickelt, um die elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche zwischen Festelektrolyt und Elektrode mit hoher zeitlicher Auflösung zu analysieren. „Unter welchen Bedingungen und bei welcher Spannung finden solche Reaktionen statt, und wie entwickelt sich die chemische Zusammensetzung dieser Zwischenphasen während des Zellbetriebs?“, erläutert Kataev die Forschungsfragen.
Feststoffbatterien mit Röntgenstrahlen erfolgreich untersucht
Als Beispiel haben Kataev und Bär Proben des Festelektrolyten Li6PS5Cl Röntgenstrahlen ausgesetzt. Li6PS5Cl gilt als einer der vielversprechendsten Kandidaten für Feststoffbatterien. Als Arbeitselektrode diente eine hauchdünne Schicht aus Nickel (30 Atomlagen oder 6 nm). Auf die andere Seite des Li6PS5Cl-Pellets wurde ein Lithiumfilm gepresst, der als Gegenelektrode diente. Um die Grenzflächenreaktionen und die Bildung einer Zwischenschicht in Echtzeit zu analysieren, nutzte Kataev die Methode der harten Röntgen-Fotoelektronenspektroskopie am Bessy II: Röntgenstrahlen treffen dabei auf die Probe, regen die Atome darin an und die emittierten Fotoelektronen geben Aufschluss über die Reaktionsprodukte.
Ein Resultat ist, dass die Zersetzungsreaktionen nur teilweise reversibel sind. „Wir zeigen, dass es möglich ist, mit einem ultradünnen Stromkollektor die elektrochemischen Reaktionen an den vergrabenen Grenzflächen mit Methoden der Oberflächencharakterisierung zu untersuchen“, sagt Kataev. Erst dadurch können also weitere Forschungen erfolgen und Methoden abgeleitet werden, wie sich denn vielleicht das Leben der Feststoffbatterien verlängern ließe. Das HZB-Team hat bereits Anfragen von Forschergruppen aus dem In- und Ausland erhalten, die ebenfalls an diesem Charakterisierungsansatz interessiert sind. In einem nächsten Schritt will das HZB-Team diesen Ansatz erweitern und auch Batterien mit Polymerelektrolyten und verschiedenen Anoden- und Kathodenmaterialien untersuchen.
