Mikrostruktur hochreaktiver Alkalimetalle in Batterien bestimmt

Lithium- und Natriummetallanoden sind zentral für die Entwicklung von Festkörperbatterien. Nun wurde ein Weg zur Aufklärung der Mikrostruktur dieser Alkalimetalle nach Abscheidung in Batterien gefunden.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) hat erstmals einen Weg zur Bestimmung der Mikrostruktur sowohl von elektrochemisch abgeschiedenem Lithium- als auch Natriummetall demonstriert. Laut Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature Materials sollen dadurch gänzlich neue Ansätze ermöglicht werden, die Eigenschaften von Batterien zu beeinflussen.

Lithium- und Natriummetallanoden spielen für die weitere Entwicklung von leistungsfähigen Festkörperbatterien eine zentrale Rolle. Um die elektrochemischen Eigenschaften günstig zu beeinflussen, ist die Kenntnis ihrer Mikrostruktur notwendig. Problem dabei: Lithium und Natrium sind chemisch hochreaktiv. Ihre Oberflächen überziehen sich in nahezu allen Umgebungen schlagartig mit Korrosionsschichten – was die Aufklärung ihrer Mikrostruktur praktisch unmöglich macht.

Bestimmung mittels Elektronenrückstreubeugung

Um das Problem zu beheben, entwickelte das Gießener Team unter der Leitung von Prof. Dr. Jürgen Janek vom Physikalisch-Chemischen Institut der JLU eine Kette von Präparations- und Untersuchungsschritten bei sehr tiefen Temperaturen sowie unter Schutzgas. An deren Ende steht die Bestimmung der lokalen Metallstruktur mittels sogenannter Elektronenrückstreubeugung.

Das Team konnte mit dieser Methode zeigen, wie elektrochemisch gewachsene Metallschichten aus Lithium- und Natriummetall mit Dicken im Bereich von bis zu 100 μm aufgebaut sind. "Die Korngröße der erzeugten Schichten war für uns überraschend, und die Ergebnisse geben wichtige Hinweise auf den Wachstumsmechanismus", so Janek.

Probleme beim Einsatz von Metallelektroden

Bislang gibt es laut JLU noch Probleme beim Einsatz von Metallelektroden, insbesondere wegen der starken Neigung der Metalle zur Formveränderung bei elektrochemischer Nutzung. Dies betreffe sowohl den Lade- als auch den Entladevorgang. Etwa würden sich Poren im Metall bei der Entladung einer Batterie bilden. Bei der Abscheidung des Metalls im Ladeschritt komme es oft zur Bildung von Dendriten, die Kurzschlüsse erzeugen.

Auf dem Weg zu leistungsfähigeren Feststoffbatterien, die mit herkömmlichen Lithiumionenbatterien konkurrieren können, soll das Lithiummetall (oder das Natriummetall) nun erst im ersten Ladeschritt überhaupt gebildet werden, um die kostenträchtige Handhabe von sehr reaktiven Alkalimetallfolien zu umgehen. Neben der JLU waren die Univesity of California in Santa Barbara sowie die kanadische University of Waterloo an der Forschung beteiligt.