Atomsondentomografie: Auf der Suche nach unendlich vielen Batterieladezyklen
Ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum(öffnet im neuen Fenster), des Karlsruher Instituts für Technologie und des Helmholtz-Instituts Ulm hat das Verhalten von Akkumulatoren beim Laden und Entladen auf atomarer Ebene untersucht. Durch die sogenannte Atomsondentomografie(öffnet im neuen Fenster) lässt sich ein dreidimensionales Bild der Zusammensetzung eines Festkörpers erstellen, Atom für Atom.
Sichtbar wurde dabei, dass der Stromkollektor bei jedem Ladezyklus Lithiumatome einsammelt. Je mehr Ladezyklen durchgeführt werden, umso mehr Atome lagern sich ein.
Dass dies am Stromkollektor aus Kupfer passiert, wurde bereits vermutet. Das Forschungsteam konnte nun erstmals sichtbar machen, dass sich die kleinen und entsprechend schwer nachweisbaren Lithiumatome zunächst an der Grenzfläche der Kupferfolie anlagern. Bereits nach drei Zyklen oxidiert das Kupfer, wobei Defekte entstehen, in denen sich Lithium und Sauerstoff einlagern können. Nach und nach wird der Stromkollektor immer weiter zerstört, bis die Batterie schließlich zunehmend schwächer wird.
Ausblick auf neue technische Entwicklungen
Helfen sollen die neuen Erkenntnisse, die nächste Generation von Lithiumbatterien weiter zu optimieren. Tong Li, Erstautor der Studie zur Untersuchung des Lithiumverlustes, die in Advanced Energy Materials(öffnet im neuen Fenster) veröffentlicht wurde, erhofft sich dadurch eine weitere Optimierung anodenfreier Lithium-Metall-Batterien(öffnet im neuen Fenster).
Solche Akkumulatoren sollen eine wesentlich höhere Energiedichte erreichen als derzeit genutzte Batterien. Laut Ti sei bisher jedoch nicht davon ausgegangen worden, dass Lithium in diesen ebenfalls diffundieren könnte.
So konnte nicht erklärt werden, wieso die Zellen dennoch einen Leistungsabfall verzeichnen. Ob und wo das schwer nachzuweisende Lithium verloren geht, könnte mit Atomsonden herausgefunden werden. Es wäre ein entscheidender Schritt, um auch die Lebensdauer zukünftiger Batterien deutlich anzuheben, sofern das Problem lösbar ist.
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