13.09.2019 • Energie

Nanopartikel in Akkus mit Neutronen aufgespürt

Ergebnisse können zur Erhöhung der Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus beitragen.

Lithium-Schwefel-Akkus gelten als viel­ver­sprechende Kandidaten für die nächste Generation von Energie­speichern. Sie besitzen eine theoretische gravi­metrische Energie­dichte, die fünfmal höher ist als die der derzeit besten Lithium-Ionen-Akkumu­latoren. Und sie funktionieren sogar bei Temperaturen von bis zu minus fünfzig Grad Celsius. Außerdem ist Schwefel preis­wert und umwelt­freundlich. Aller­dings sinkt bislang mit jedem Lade-Entlade­zyklus die Kapazität stark ab, sodass solche Batterien noch nicht langlebig sind.

 

Abb.: Diese am HZB entwickelte Messzelle ermöglicht es, die Batteriezelle...
Abb.: Diese am HZB entwickelte Messzelle ermöglicht es, die Batteriezelle „in operando“ zu analysieren. (Bild: S. Risse, HZB)

Der Kapazitätsverlust wird durch komplizierte Reaktions­prozesse an den Elektroden im Inneren der Batterie­zelle verursacht. Daher ist es wichtig, die Abscheidung und das Auflösen des Lade- und des Entlade­produkts genau zu verstehen. Während sich Schwefel makro­skopisch abscheidet und sich daher mit bild­gebenden Verfahren oder Röntgen­beugung sehr gut während des Zyklierens unter­suchen lässt, ist Lithium­sulfid aufgrund einer Partikel­größe im Bereich unterhalb von zehn Nano­metern nur schwer zu detektieren.

Diesen Einblick liefern nun erstmals Unter­suchungen an der Neutronen­quelle BER II am HZB: Sebastian Risse hat mithilfe einer selbst entwickelten Messzelle Lithium-Schwefel-Batterien während der Lade- und Entlade­zyklen mit Neutronen durch­leuchtet und zeit­gleich eine Impedanz­spektro­skopie durch­ge­führt.

Dadurch konnte er mit seinem Team das Auflösen und Abscheiden von Lithium­sulfid während zehn Entlade/Ladezyklen sehr genau analy­sieren. Da Neutronen stark mit wechsel­wirken, verwendeten die Forscher in der Batterie­zelle ein deuteriertes Elektrolyt, um die beiden festen Produkte Schwefel und Lithium­sulfid sichtbar zu machen.

„Wir sehen, dass die Lithiumsulfid- oder Schwefel­abschei­dungen nicht im Inneren der mikro­porösen Kohlen­stoff­elektroden statt­finden, sondern auf der äußeren Ober­fläche der Kohlen­stoff­fasern“, sagt Risse. Diese Ergeb­nisse geben wert­volle Hinweise für die Entwick­lung besserer Batterie­elektroden.

HZB / RK

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