3D-Blick in Feststoffbatterien

Feststoffbatterien (solid-state batteries, SSBs) gelten als aussichts­reiche Batterie­technologie der Zukunft. Gegenüber den aktuellen Lithiumionen­batterien, die in Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, versprechen SSBs noch höhere Energiedichten und vor allem auch eine bessere Sicherheit. Denn die leicht brennbaren, flüssigen Elektrolyte von Lithiumionen­batterien werden hier durch einen Feststoff ersetzt, so dass die gesamte Batterie nur aus festen Materialien besteht. Um eine solche Batterie herzustellen, müssen Anode, Kathode und Elektrolyt unter hohem Druck miteinander verpresst werden.

Einer Gruppe aus den Helmholtz-Zentren Berlin (HZB) und Hereon, der Humboldt-Universität zu Berlin und der Bundesanstalt für Material­forschung und -prüfung ist es nun gelungen, die Prozesse innerhalb einer solchen Feststoff­batterie während des Ladens und Entladens zu beobachten. Die Arbeitsgruppen von Philipp Adelhelm und Ingo Manke untersuchten das Verhalten von Kupfer­sulfid, einem natürlich vorkommenden Mineral, als Kathode in einer Feststoff­batterie. Als Anode wurde Lithium eingesetzt. Eine Besonderheit der Batterie ist, dass sich während der Entladung große Kupfer­kristallite bilden.

Mit Hilfe von Röntgentomographie ließ sich diese Bildung der Kristallite eingehend untersuchen. So konnte die Entlade- und Ladereaktion in 3D nachvoll­zogen und zum ersten Mal die Bewegung der Kathoden­partikel innerhalb der Batterie verfolgt werden. Zudem zeigte sich, dass sich Rissbildung durch höheren Druck effektiv verringern lässt. „Für die aufwendigen Messungen mussten wir einige Kompromisse eingehen und viele Referenz­experimente durchführen“ erklären Zhenggang Zhang und Kang Dong. „Die Ergebnisse geben aber detaillierte Einblicke in das Innenleben einer Feststoff­batterie und zeigen, wie sich deren Eigenschaften verbessern lassen“.
 

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z. Zhang et al.: Phase Transformation and Microstructural Evolution of CuS Electrodes in Solid-State Batteries Probed by In Situ 3D X-Ray Tomography, Adv. En. Mat., online 28. November 2022; DOI: 10.1002/aenm.202203143
• Operando Analyse von Batterien, Helmholtz Zentrum Berlin