Festkörperbatterien: Akkus in 3D mit Röntgenstrahlen scannen

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Ein noch ungelöstes Problem bei Festkörperbatterien ist ihre kurze Lebensdauer. Mithilfe von Röntgenstrahlen ist es US-Forscher jetzt gelungen, die Vorgänge im Inneren der Batterien in Echtzeit in 3D zu beobachten. Die Erkenntnisse können helfen, die Haltbarkeit und Leistung der Akkus zu verbessern.

Batterieforschung mit Synchrotronstrahlung

Die Versuche fanden am Argonne National Laboratory (ANL) statt, einem Forschungszentrum, das zum amerikanischen Energieministerium gehört. Dort nutzten Forscher die Röntgen-Computertomographie, um beim Laden und Entladen von Feststoffbatterien einen Blick ins Innere zu werfen. Diese raren Einblicke in Echtzeit waren möglich dank der Advanced Photon Source, einer Quelle von Synchrotronstrahlung bzw. ultraheller Röntgenstrahlung am ANL.

Mithilfe dieses Verfahrens konnten die Forscher speziell angefertigte Testzellen genau untersuchen. „Das Gerät nimmt Bilder aus verschiedenen Richtungen auf, und man rekonstruiert sie mit Hilfe von Computeralgorithmen, um 3D-Bilder der Batterien zu erhalten“, sagte Matthew McDowell, einer der beteiligten Wissenschaftler. „Wir haben diese Aufnahmen gemacht, während wir die Batterien geladen und entladen haben, um zu visualisieren, was sich im Inneren der Batterien verändert.“ Diese 3D-Technologie kommt auch bei der Computertomographie am Menschen zum Einsatz.

Winzige Hohlräume verursachen Defekte

Die Forscher konnten genau sehen, wie sich die Elektrodenmaterialien von Lithium-Festkörperbatterien verhalten. Deren dynamische Veränderungen bestimmen die Leistung von Festkörperakkus. Die Forscher fanden heraus, dass sich beim Laden und Entladen winzige Hohlräume an der Oberfläche der Elektrode bilden, die 50-mal kleiner sind als ein menschliches Haar dick ist. Diese Hohlräume verursachen einen Kontaktverlust, der die Hauptursache für Defekte in den Zellen war.

Die heute verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien basieren auf einem flüssigen Elektrolyten, der die Ionen während des Lade- und Entladeprozesses zwischen den Elektroden hin- und her transportiert. Diese Flüssigkeit ermöglicht die freie Bewegung der Ionen und beschichtet die Elektroden gleichmäßig. Festkörperbatterien dagegen nutzen einen festen Elektrolyten, der die Energiedichte und Sicherheit entscheidend verbessern soll. An der Oberfläche der Elektrode kann es jedoch zu erwähnten Hohlräumen kommen, die Defekte verursachen und damit die Lebensdauer begrenzen.

Die Ergebnisse könnten Festkörperbatterien näher zur Marktreife bringen

Die Forscher berichteten im Januar im Fachjournal „Nature Materials“ über ihre Erkenntnisse. „Diese Arbeit liefert ein grundlegendes Verständnis darüber, was in der Batterie passiert. Diese Informationen sollten wichtig dafür sein, die technischen Bemühungen zu lenken, die diese Batterien in den nächsten Jahren an die Kommerzialisierung heranführen“, sagte Matthew McDowell. „Wir waren in der Lage, genau zu verstehen, wie und wo sich diese Hohlräume an der Oberfläche bilden, und konnten das mit der Batterieleistung in Verbindung bringen.“

Bisher konnten die Forscher die Batterien nur über einen einzigen Lade- und Entladezyklus beobachten. Künftig würden sie gern mehrere Ladezyklen sehen und untersuchen, ob sich die Struktur irgendwie an das Entstehen und Füllen von Hohlräumen anpasst. Die Forscher glauben, dass die Ergebnisse wahrscheinlich auch auf andere Elektrolytzusammensetzungen übertragbar sind. Außerdem könnte die Methode auch eingesetzt werden, um Informationen über andere Batterieprozesse zu sammeln.

Die Lebensdauer ist der Schlüssel zum Erfolg

​Batteriepacks für Elektrofahrzeuge müssen innerhalb einer prognostizierten Lebensdauer von 150.000 Kilometern mindestens 1.000 Ladezyklen überstehen. Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Elektroden liefern zwar mehr Energie bei gleicher Batteriegröße. Doch solange ihre Lebensdauer nicht mit aktuellen Lithium-Ionen-Akkus vergleichbar ist, werden sie sich nicht durchsetzen können.

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