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18.08.2020 | Batterie | Nachricht | Onlineartikel

Prozesse auf der Lithium-Anode besser verstehen

Autor:
Christiane Köllner
2:30 Min. Lesedauer

Blick ins Innere eines Akkus: Oldenburger Chemiker haben ein neues Verfahren entwickelt, um chemische Prozesse während des Batteriebetriebs noch genauer zu beobachten. 

Ein Wissenschaftlerteam um Professor Dr. Gunther Wittstock vom Institut für Chemie der Universität Oldenburg hat ein neues Verfahren entwickelt, mithilfe dessen in einer Batterie auf mikroskopischer Ebene die Lade- und Entladevorgänge live beobachtet werden können. Die neue Methode könne dazu beitragen, schneller geeignete Materialien für neuartige Batterien zu finden, so die Forscher. Ziel sei es, umweltfreundlichere Energiespeicher mit längerer Lebensdauer und höherer Leistungsdichte zu entwickeln. Zu dem Team gehören auch Wissenschaftler des Batterieforschungszentrums Meet (Münster Electrochemical Energy Technology) der Universität Münster. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift ChemElectroChem vorgestellt.

Analyse mithilfe der elektrochemischen Rastermikroskopie

Das Team hat ein neues Messprinzip entwickelt, um während des Batteriebetriebs örtlich hochauflösende Informationen über die Oberfläche metallischer Lithium-Elektroden zu erhalten. "Mit fortlaufender Zeit können chemische Prozesse auf der Oberfläche der Elektrode einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit einer Batterie haben", so Wittstock. Als Analyseverfahren verwendeten die Forscher die sogenannte elektrochemische Rastermikroskopie. Dabei wird eine Messsonde schrittweise über die Oberfläche einer Probe bewegt, um chemische Informationen im Abstand von wenigen Mikrometern zu sammeln. Eine Software übersetzt die Messdaten in ein farbiges Bild. "Indem wir diesen Vorgang mehrmals wiederholen, können wir Veränderungen auf der Probenoberfläche wie in einem Daumenkino verfolgen", berichtet Wittstock.

Bastian Krueger, Mitarbeiter in Wittstocks Arbeitsgruppe Physikalische Chemie, entwickelte in seiner Doktorarbeit eine spezielle Messzelle, in der die Versuchsbedingungen – wie etwa die Stromstärke – im Wesentlichen denen in einer echten Batterie entsprachen. Der Chemiker testete verschiedene, mit 3-D-Druckern und CNC-Mikrofräsen hergestellte Zellaufbauten. Luis Balboa, ebenfalls Doktorand in der Arbeitsgruppe, führte Computersimulationen durch, um die Zellgeometrie zu optimieren und realistische Versuchsbedingungen herzustellen. Das Team aus Münster steuerte Referenzproben bei.

"Bislang unerreichte Genauigkeit"

Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, die Prozesse auf der Lithium-Anode "mit bislang unerreichter Genauigkeit" zu untersuchen, wie es heißt. Die Forscher beobachteten, wie sich dort bei hohen Ladegeschwindigkeiten Lithium aus der Batterieflüssigkeit absetzte. Aus solchen lokal verstärkten Abscheidungen können sich sogenannte Dendrite bilden – sich verzweigende Fortsätze aus Lithium auf der Elektrode. Diese Gebilde begrenzen die Lebensdauer von Batterien und können im Extremfall zu ihrer Zerstörung führen.

"Der Durchbruch unserer Studie besteht darin, dass wir erstmals derartige Prozesse bei realistischen Stromdichten direkt in der Messapparatur ausführen und ihre Auswirkungen bildlich verfolgen konnten", betont Wittstock. Das Verfahren sei auch für andere Typen von Elektroden geeignet. Langfristiges Ziel sei es, mithilfe der elektrochemischen Rastermikroskopie zu untersuchen, wie unterschiedliche Vorbehandlungsschritte das Wachstum der Grenzschicht auf den Elektroden beeinflussen.

Die Arbeit ist Teil des Kooperationsprojekts Amalis (Alternative Materialien und Komponenten für Lithium-Sauerstoff-Batterien), das noch bis Ende 2020 durch das Bundesforschungsministerium (BMBF) gefördert wird. Ziel ist es, neuartige Batteriekomponenten zu designen und gleichzeitig Verfahren zu entwickeln, um diese Komponenten zu testen.

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