Röntgenbeugung offenbart Ladeprozesse

Akku-Elektroden aus Lithiumeisenphosphat gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie eine hohe Zyklenfestigkeit, sicheren Betrieb und kurze Ladezeiten ermöglichen. Allein bei der Energiedichte hinken sie anderen Lithiumsalzen etwas hinterher. Bisher gingen Batterieforscher auf der Grundlage thermodynamischer Modelle davon aus, dass während der Ladezyklen Phasentransformationen beim Übergang vom Eisenphosphat zum Lithiumeisenphosphat und umgekehrt auftreten. Doch erste „in situ“-Analysen einer britisch-amerikanischen Forschergruppe widersprechen nun dieser Annahme und können die guten Eigenschaften dieser Akku-Typen besser erklären.

Für die Beobachtungen während des Ladeprozess fertigten Clare P. Grey von der University of Cambridge und ihre Kollegen einen speziellen Akku, der während der Ladezyklen mit Röntgenlicht – erzeugt an der Synchrotronanlage des Argonne National Laboratory – bestrahlt werden konnte. Die Röntgenstrahlung traf auf winzige Nanopartikel aus Lithiumeisenphosphat mit Durchmessern zwischen 40 und 200 Nanometern. Das von dem kristallinen Nanopulver gebeugte Röntgenlicht fingen die Forscher während der Ladezyklen mit einem Detektor auf. Abhängig vom Ladestand des Akkus veränderten sich Aufbau und Zusammensetzung dieser Nanopartikel. Hinweise auf eine bisher favorisierte Phasentransformation fanden sich dabei nicht. Vielmehr bildeten sich eine sogenannte flüssige Lösung mit je nach Ladegrad verschiedenen Anteilen an eingelagerten Lithium-Ionen.

Ihre Ergebnisse, die die Forscher mit einem parallel entwickelten, theoretischen Modell untermauern konnten, führen zu einem wesentlich besseren Verständnis von Akkus mit Kathoden aus Lithiumeisenphosphat. Denn mit der Bildung von metastabilen Mischkristallen mit veränderlichen Lithium-Anteilen lassen sich die kurzen Ladezeiten bei gleichzeitig relativ hoher Energiedichte besser erklären als mit einer vergleichbar langsamer ablaufenden Phasentransformation zwischen Eisenphosphat und Lithiumeisenphosphat.

Diese Studie zeigt, dass es für eine Analyse der Ladeprozesse nicht ausreicht, die Struktur der Elektrodenmaterialien bei leeren und vollen Akkus miteinander zu vergleichen. Weitere „in situ“-Experimente auf der Basis der Röntgenbeugung von Nanopulvern könnten nun folgen. So ist es durchaus wahrscheinlich, dass sich auf diese Weise auch andere nanostrukturierte Elektrodenmaterialien für den Einsatz in Lithium-Ionen-Akkus weiter optimieren lassen.

Jan Oliver Löfken

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