Batterieentwicklung: Neue Einblicke in Kathodenmaterialien dank hochpräziser Röntgentechnologie

Um die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals mit höchster Präzision vermessen.

Foto: PantherMedia / EdVal

Die Forschung an Lithium-Ionen-Batterien steht vor einem entscheidenden Durchbruch. Um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer dieser Akkus weiter zu verbessern, liegt der Fokus aktuell auf der Entwicklung neuer Kathodenmaterialien. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) gelten als vielversprechende Kandidaten, da sie eine besonders hohe Energiedichte ermöglichen. Allerdings zeigen diese Materialien bisher Schwächen in der Langzeitstabilität: Ihre Kapazität nimmt mit jedem Ladezyklus ab, was auf strukturelle und chemische Veränderungen im Material zurückzuführen ist. Ein Team aus führenden chinesischen Forschungseinrichtungen hat diese Veränderungen nun erstmals mit beispielloser Präzision untersucht. Mithilfe des Transmissionsröntgenmikroskops (TXM) an der Synchrotronquelle BESSY II in Berlin konnten sie die morphologischen, strukturellen und chemischen Prozesse auf der Nanometerskala visualisieren und analysieren.

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Warum LRTMO das Potenzial für Hochleistungsakkus birgt

Lithiumreiche Übergangsmetalloxide bieten eine sehr hohe Energiedichte und könnten die nächste Generation von Hochleistungsakkus prägen. Doch das Material „altert“ schnell: Während des Lade- und Entladeprozesses kommt es zu signifikanten strukturellen und chemischen Veränderungen, die die Leistung und Lebensdauer der Batterien beeinträchtigen. Diese Prozesse umfassen Gitterverzerrungen, die Bildung von Nanoporen und Veränderungen in den Oxidationszuständen der beteiligten Elemente.

Mit den bisherigen Analysemethoden war es schwierig, diese Prozesse auf molekularer Ebene genau zu verstehen. Das TXM an BESSY II hat hier eine neue Ära der Materialanalyse eingeläutet. Durch die Kombination von 3D-Tomographie und Nanospektroskopie konnten die Forschenden erstmals ein dreidimensionales Bild der chemischen und strukturellen Veränderungen innerhalb der Kathodenmaterialien erstellen.

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Präzise Einblicke dank moderner Röntgentechnologie

Die Untersuchungen am TXM wurden bereits 2019 unter der Leitung von Dr. Peter Guttmann durchgeführt, und die aufwendige Auswertung der Daten hat nun beeindruckende Ergebnisse hervorgebracht. Mit der energieaufgelösten Transmissionsröntgentomografie konnten die Forschenden chemische Zustände in den LRTMO-Partikeln dreidimensional sichtbar machen. Diese Technik liefert nicht nur räumliche Informationen, sondern erweitert die Analyse um eine „vierte Dimension“: die energieabhängige Visualisierung einzelner Elemente und deren Oxidationszustände. Dr. Stephan Werner, der das TXM wissenschaftlich betreut, erklärte, dass das Instrument einzigartige Einblicke in die chemischen Reaktionen während eines elektrochemischen Zyklus bietet. So wurde deutlich, dass langsames Laden Phasenumwandlungen und Sauerstoffverluste begünstigt, während schnelles Laden zu Gitterverzerrungen und ungleichmäßiger Lithiumdiffusion führt.

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Neue Ansätze für langlebige und leistungsstarke Batterien

Die Ergebnisse der Studie liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung langzeitstabiler und zyklusfester Kathodenmaterialien. Diese Materialien könnten nicht nur die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien steigern, sondern auch ihre Lebensdauer erheblich verlängern. Prof. Gerd Schneider, der das TXM entwickelt hat, betonte, dass das Instrument zukünftig auch für in-operando-Studien genutzt werden könnte. Diese Untersuchungen, die direkt während des Lade- und Entladeprozesses durchgeführt werden, könnten noch tiefere Einblicke in die morphologischen und chemischen Veränderungen der Batteriematerialien liefern.

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Wegweisende Erkenntnisse für die Batterieforschung

Die Studie zeigt eindrucksvoll, wie moderne Röntgentechnologie dazu beitragen kann, die komplexen Mechanismen in Batteriematerialien zu entschlüsseln. Mit den Erkenntnissen aus der Untersuchung an LRTMO könnte ein wichtiger Schritt zur Entwicklung von Hochleistungsakkus gemacht werden, die effizienter, langlebiger und nachhaltiger sind.

Diese Forschung markiert nach Angaben der Beteiligten nicht nur einen Meilenstein in der Materialwissenschaft, sondern stärkt auch die internationale Zusammenarbeit in der Batterieforschung. Die innovativen Ansätze und Ergebnisse könne die nächste Generation von Energiespeichern prägen und maßgeblich zur Energie- und Mobilitätswende beitragen.