Mit dieser Methode sollen Batterien viel mehr Leistung bringen
Forschende der Technischen Universität München haben neue Erkenntnisse zum Ionenfluss in Batterien gewonnen. Damit könnten Batterien künftig weiterentwickelt werden und eine bessere Leistung zeigen. Für Elektroautos ein möglicherweise bedeutender Entwicklungsschritt.
Forschenden der TUM ist es mit dem Strukturpulverdiffraktometer SPODI gelungen, Neutronen in Batterien zu messen.
Foto: Bernhard Ludewig, FRM II /TUM
Batterien kommen im Alltag bei verschiedenen Anwendungen zum Einsatz und sind oftmals ein täglicher Begleiter. Ob in Smartphones, Elektroautos, Laptops, Staubsaugern oder Akkuschraubern, Geräte mit Akkus lassen sich dank der eingebauten Technik einfach wieder aufladen. Forschende kennen inzwischen die innere Struktur eine solchen Batterie – sowohl vor und nach dem Laden. Eines ist allen Geräten mit Akku gemeinsam: Zu Beginn eines jeden Ladevorgangs steigt die Anzeige sehr rasch an, der Akku lädt also recht schnell auf. Sobald es dem Ende zugeht, also der Akku praktisch die letzten Prozent Energie aufnimmt, wird dieser Vorgang deutlich langsamer.
Messtechnik macht Batterien für die E-Mobilität serienreif
Dafür gibt es eine recht einfache Erklärung, die anhand eines Beispiels gut nachvollziehbar ist: „Das ist wie beim Einräumen eines Schranks: Am Anfang ist es einfach, Gegenstände in den Schrank zu stellen, aber je voller er wird, desto mehr muss man sich anstrengen, einen freien Platz zu finden“, sagt Anatoliy Senyshyn. Er gehört zur Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM). Gemeinsam mit einem Team hat Senyshyn nun erstmals die Lithium-Verteilung einer Batterie beobachten können- und zwar während des kompletten Lade- und Entladevorgangs. Gelungen ist ihnen die Messung mithilfe des Materialforschungsdiffraktometers STRESS-SPEC. Um auf Nummer sicher zu gehen, prüften sie ihre Ergebnisse noch einmal gegen. Dafür nutzten sie das hochauflösende Pulverdiffraktometer SPODI.
Super-Batterie: Forschende setzen auf moderne Technologien zur Untersuchung
Das Materialforschungsdiffraktometer STRESS-SPEC hilft Forschenden dabei, Eigenspannungsanalysen und Texturbestimmungen durchzuführen. Dafür gibt es drei Monochromatoren: Ge(511), Si(400) und pyrolithisches Graphit (002). Der Vorteil an der Auswahl genau dieser Monochromatoren liegt darin, dass die Forschenden bei den Messungen grundsätzlich immer einen optimal angepassten Kompromiss zwischen Auflösung und Identität finden können. Ein Blendensystem, das aus zwei voneinander unabhängigen variablen Primär- und Sekundärblendensystemen besteht, unterstützt vor allem die Reproduzierbarkeit der Messung. Das STRESS-SPEC kommt unter anderem bei Industriekomponenten, Schweißnähten und Dehnungsmapping zum Einsatz.
Das hochauflösende Pulverdiffraktormeter SPODI wurde entwickelt, um die sogenannte Rietveld-Verfeinerung struktureller Parameter und Strukturlösung an polykristallinen oder pulverförmigen Proben zu messen. Bei der Rietveld-Verfeinerung werden Röntgen- oder Neutronenstrahlen verwendet, um damit kristallene Strukturen zu untersuchen. Dabei betrachtet man das Röntgenbeugungs-Diagramm (XRD-Diagramm) als mathematische Funktion des Beugungswinkels. Indem man strukturelle und instrumentelle Parameter immer weiter verfeinert, bestehen irgendwann im Idealfall zwischen dem berechneten und gefundenen XRD-Diagramm keine Unterschiede mehr.
Super-Batterie könnte E-Mobilität revolutionieren
Betrachtet man nun den Ladevorgang einer Batterie, sieht man Lithium-Ionen, die von der positiv geladenen zur negativ geladenen Elektrode wandern. Im Falle des Entladens wechseln die Ionen beim Wandern einfach nur ihre Richtung. Jetzt konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beobachten, dass sich das Lithium immer anders verteilt – sowohl beim Laden als auch Entladen. „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 100%. Eine gleichmäßige Verteilung steigert dagegen die Leistungsfähigkeit“, sagt Senyshyn. Im Rahmen ihrer Tests und mithilfe sehr hoher Auflösung konnten die Forschenden diese ungleiche Verteilung von Lithium in einer Batterie sichtbar machen. Damit ihre Ergebnisse auf die gesamte Batterie zutreffen, betrachteten sie jedes winzige Teilvolumen einzeln. Zum Schluss ergab sich aus diesen unzähligen Einzelmessungen ein großes Gesamtbild.
Unterstützung erhielten die Forschenden von weiteren Forschungseinrichtungen: vom Deutsche Elektronen Sychnroton DESY der Helmholtz-Gemeinschaft und dem European Synchroton Radiation Facility ERSF. Durch die Zusammenarbeit gelang es, Teilvolumina mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu untersuchen. Erst dadurch war es möglich, die ungleiche Verteilung des Lithiums nicht nur entlang der Elektrodenschichten, sondern auch senkrecht zu den Schichten nachzuweisen. Diese Ergebnisse tragen möglicherweise dazu bei, Akkus, zum Beispiel für Elektroautos, weiterzuentwickeln. Denn gerade hier spielt die Ladezeit noch immer eine sehr große Rolle. Sie erheblich zu verkürzen würde der Elektromobilität sicher einen deutlichen Schub verleihen. „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“, bilanziert Anatoliy Senyshyn.
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