Forschungs-Neutronenquelle ermöglicht Einblick in Lithium-Akkus

Wie die innere Struktur einer Lithium-Batterie vor und nach dem Laden aussieht, ist bereits bekannt. Ein Forschungs­team unter Leitung des Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrums an der TU München beobachtete nun erstmals auch die Lithium-Verteilung einer Batterie während des kompletten Lade- und Entlade­prozesses am Material­forschungs­diffrakto­meter STRESS-SPEC. Die Messungen über­prüften die Forscher am hoch­auf­lösenden Pulver­diffrakto­meter SPODI.

Bei ihren Unter­suchungen konnten die Forscher beobachten, dass sich die Verteilung des Lithiums beim Laden und Entladen ständig verändert. „Ist das Lithium ungleich verteilt, funktioniert in Bereichen der Batterie, in denen zu viel oder zu wenig Lithium vorhanden ist, der Austausch von Lithium zwischen Anode und Kathode nicht zu hundert Prozent. Eine gleich­mäßige Verteilung steigert dagegen die Leistungs­fähigkeit“, erklärt Anatoliy Senyshyn von der TU München.

Den Forschern gelang es, die ungleiche Verteilung von Lithium in einer Batterie mit sehr hoher Auflösung fest­zu­halten: Um die gesamte Batterie zu erfassen, unter­suchten sie ein winziges Teilvolumen nach dem anderen und setzten diese Einzel­messungen dann zu einem großen Bild zusammen.

Mithilfe des Deutschen Elektronen-Synchrotrons und der European Synchrotron Radiation Facility war es möglich, Teilvolumina mit Abmessungen im Mikro­meter­bereich zu wählen. Dadurch erkannten die Forscher, dass nicht nur entlang der Elektroden­schichten, sondern auch senkrecht zu den Schichten das Lithium ungleich verteilt ist.

Die beobachteten Effekte könnten langfristig dabei helfen, Akkus weiter­zu­ent­wickeln, so Senyshyn: „Viele Eigen­schaften von Batterien lassen sich durch die Verteilung des Lithiums beeinflussen. Wenn wir diese besser unter Kontrolle haben, können wir die Performance von Batterien in Zukunft deutlich verbessern.“

TUM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Petz et al.: Lithium distribution and transfer in high-power 18650-type Li-ion cells at multiple length scales, En. Storage Mat. 41, 546 (2022); DOI: 10.1016/j.ensm.2021.06.028
• Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum, Technische Universität München