Röntgenanalysen für bessere Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sollen mit Hilfe von neuen Materialien für die Kathoden noch leistungs­stärker werden. So könnten geschichtete lithiumreiche Übergangs­metall-Kathoden (LRTMO) die Lade­kapazität noch steigern und in Hochleistungs-Lithium-Akkus eingesetzt werden. Aber bisher ist zu beobachten, dass diese Kathoden­materialien schnell altern: Durch das Hin- und Herwandern der Lithium-Ionen beim Aufladen und Entladen verändert sich das Kathodenmaterial. Welche Veränderungen dies konkret sind, war bislang unklar. Teams aus chinesischen Forschungs­einrichtungen ließen daher ihre Materialproben mit 3D-Tomographie und Nano­spektroskopie am weltweit einzigartigen Transmissions­röntgenmikroskop (TXM) an einem Undulator­strahlrohr am BESSY II Speicherring in Berlin untersuchen. 

Die Messungen am HZB-TXM führte Peter Guttmann vom HZB durch. Anschließend wurde die röntgen­mikroskopische Analyse durch weitere spektro- und mikro­skopische Untersuchungen ergänzt. Nach der aufwändigen Auswertung des reichhaltigen Datenmaterials liegen nun die Ergebnisse vor: Sie geben Auskunft über Veränderungen in Morphologie und Struktur des Materials aber auch zu chemischen Prozessen während des Entladens. „Die Trans­missions-Röntgen­mikroskopie mit weicher Röntgenstrahlung ermöglicht es, chemische Zustände in LRTMO-Partikeln mit hoher räumlicher Auflösung drei­dimensional zu visualisieren und Einblicke in chemische Reaktionen während des elektro­chemischen Zyklus zu gewinnen“, sagt Stephan Werner, der das Instrument wissen­schaftlich betreut und weiterentwickelt.

So liefern die Ergebnisse Aussagen zu lokalen Gitter­verzerrungen, die mit Phasen­umwandlungen sowie der Bildung von Nanoporen verbunden sind. Auch die Oxidations­zustände von einzelnen Elementen konnten lokal bestimmt werden. Die Geschwindigkeit der Ladeprozesse spielt dabei eine wichtige Rolle: Langsames Laden begünstigt Phasen­umwandlungen und Sauerstoffverlust, während schnelles Laden zu Gitterverzerrung sowie inhomogener Lithium­diffusion führt. „Wir haben hier am TXM eine einzigartige Option: Wir können eine energieaufgelöste Transmissions­röntgen­tomografie anbieten“, sagt Werner. „Damit bekommen wir ein 3D-Abbild mit struk­turellen Informationen zu jedem element­spezifischen Energielevel – d.h. die Energie ist hier die vierte Dimension.“

Die Erkenntnisse aus dieser Studie liefern wertvolle Informationen für die Entwicklung von Hochleistungs­kathoden, die langzeitstabil und zyklusfest bleiben. „Das TXM ist hervorragend darauf abgestimmt, um zukünftig durch in-operando Studien – also während des Auf- oder Entladens - neue Einsichten in morpho­logische, aber auch chemische Veränderungen in Batterie­materialien zu liefern“, sagt Gerd Schneider, der das TXM entwickelt hat.

HZB / JOL