Mit Synchrotron-Tomographie an Bessy II wurde die 3D-Struktur der Batterie-Elektrode mikrometergenau ermittelt.
: L. Zielke/S. Thiele
Ein Forscherteam hat einen Ansatz entwickelt, um Batterieelektroden am Computer noch realistischer zu modellieren. Dafür kombinierten die Wissenschaftler Synchrotron-Tomographieaufnahmen, die die dreidimensionale Struktur mikrometergenau abbilden, mit Elektronenmikroskopieaufnahmen, die in einem kleinen Ausschnitt sogar Nanostrukturen auflösen. Mit einem mathematischen Modell konnten sie diese Nanostrukturen auf Bereiche außerhalb des Ausschnitts übertragen. Dadurch lassen sich Eigenschaften und Prozesse in Batterieelektroden nun höchst realistisch simulieren.
Um eines Tages in großem Maßstab Autos anzutreiben oder Strom aus Wind und Sonne zu speichern, müssen Batterien leichter, leistungsfähiger und günstiger werden. Eine Möglichkeit, die Entwicklung zu beschleunigen, ist das "Virtual Materials Design": Mit dem passenden Computerprogramm lassen sich in ein paar Klicks die unterschiedlichsten Materialstrukturen virtuell herstellen und austesten, berichten Die Wissenschaftler. So sei jedenfalls die Idee. Das Problem liege allerdings in der fehlenden Realitätsnähe. "Das Material, das man am Computer erfindet, muss ja letztendlich auch in der Realität herstellbar sein; das geht aber nur, wenn es auf realen Strukturparametern beruht", erklärt Dr. Ingo Manke, Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).
Daten aus zwei bildgebenden Verfahren mit mathematischem Modell kombiniert
Um Materialsysteme für Batterieelektroden auf Basis realer Strukturparameter im Computer zu modellieren, haben Manke und sein Kollege Dr. André Hilger vom HZB-Institut für Angewandte Materialforschung zusammen mit einem Team der Brigham Young University (USA) und der Universität Freiburg einen neuen Ansatz entwickelt. Sie kombinierten dafür zwei verschiedene tomographische Verfahren zu einem sogenannten multiskaligen Ansatz. Zunächst analysierten sie eine moderne LiCoO2-Batterieelektrode mit Synchrotron-Tomographie an BESSY II, so dass sie Informationen zur dreidimensionalen Struktur auf der Mikrometerskala erhielten. Zusätzlich erfassten sie mit einem Rasterelektronenmikroskop mit fokussiertem Ionenstrahl (SEM/FIB-Tomographie) die noch tausendmal feinere Nano-Struktur, allerdings nur in einem sehr kleinen Ausschnitt des Materials. Mit einem mathematischen Modell, entwickelt von Professor Dr. Dean R. Wheeler (Brigham Young Universität), gelang es, diese Informationen über die Nanostruktur auf die viel größere Struktur aus dem Synchrotron-Tomogramm zu übertragen.
Virtuelles Materialdesign am Rechner
"Das kann man sich in etwa wie bei einer Tapete vorstellen, deren feine Struktur sich immer wiederholt und so die gesamte Wand bedeckt. Nur dass sich die Struktur in diesem Fall nicht wiederholt, sondern immer wieder anders berechnet wird", erklärt Manke. Der neue Ansatz ermögliche es, Strukturen, die in echten Batterien vorkommen, sehr realitätsgetreu in ein Computermodell zu überführen, so dass sich wichtige Prozesse wie die Stromverteilung oder der Ionentransport virtuell untersuchen lassen. Im nächsten Schritt sollen diese modellierten Strukturen nun schrittweise verändert werden, um etwa die Stromverteilungen oder den Ionentransport zu verbessern. "Letztlich soll die Struktur, die wir am Computer optimiert haben, auch im Labor hergestellt werden können, dann werden wir testen, wie gut das Verfahren wirklich funktioniert", sagt Manke.
Die Ergebnisse dieser Studie sind in der Zeitschrift Advanced Energy Materials publiziert worden und setzten eine vorangegangene Studie der Arbeitsgruppen fort, die im vergangenen Jahr veröffentlich wurde.