Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums haben eine innovative Röntgentechnik eingesetzt, um Bewegungen von Komponenten innerhalb einer Batterie zu untersuchen, während sie geladen und entladen wird. Die Studie ist eine der ersten, die derartige Bewegungen im Detail auf einer Ebene von einer Millionstel eines Meters beobachten konnte.
Bei der Röntgentechnik handelt es sich um eine Technik namens energiedispersive Röntgen-Diffraktion. Sie erlaubt einen Blick in die Batterie, indem ein Röntgenstrahl in die Batteriezelle geleitet wird, während sie mehrfach geladen und entladen wird. Die Zelle war eine kleine kreisförmige Einrichtung, bekannt als Münzzelle. Sie enthielt eine Anode aus Lithiummetall und eine Kathode aus einem Metalloxid-Material.
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Die Wissenschaftler maßen Schwingungen durch die Ausdehnung und Kontraktion der Anode, da Lithium auf seiner Oberfläche abgelagert und wieder entfernt wurde. Dabei wurde festgestellt, dass die Anode viel stärker ausdehnte als erwartet, aufgrund des Aufbaus des Interphasenmaterials, das auf der Lithium-Oberfläche gebildet wird. Auch wurde beobachtet, dass die sich ausdehnende Anode Druck auf Kathode und Abscheider ausübte, was zu entsprechenden Bewegungen führte.
Die Forscher untersuchten die Bewegungen der Anode, der Kathode und des Abscheiders innerhalb der Batteriezelle, um die beiden Herausforderungen von Lithium-Metal-Batterien besser zu verstehen. Erstens neigen diese Batterien dazu, beim Laden und Entladen zu schwellen und zu schrumpfen. Zweitens besteht die Tendenz, dass sich schädliche Materialien auf der Oberfläche der Lithiummetall-Anode bilden.
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Aktuell sind Lithium-Metal-Batterien eine der vielversprechendsten Batterien der nächsten Generation. Sie ersetzen die Graphit-Anode, die heutzutage in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Diese Anoden haben zehnmal so viel Energie wie Graphit-Anoden, aber sie leiden unter einer reduzierten Leistung nach vielen Lade- und Entladezyklen.
Eine dünnere Interphasenschicht kann die Gesundheit einer Batterie schützen. Sie trennt den Elektrolyten und das Lithiummetall, so dass sie nicht weiter reagieren können. Solche Reaktionen könnten irgendwann den gesamten Elektrolyten verbrauchen – und die Zelle würde aufhören zu funktionieren.
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„Auf der Suche nach Batterien für Telefone, Computer und Autos wollen wir nicht, dass sich die irreversible Ausdehnung der Anoden zu sehr bemerkbar macht“, sagt John Okasinski, Physiker bei Argonne. „Das könnte Probleme mit den anderen Komponenten im Gerät verursachen.“
Die fortgeschrittene Röntgentechnologie und die damit verbundenen Erkenntnisse über die Bewegungen der Batteriekomponenten können dazu beitragen, die nächste Generation von Batterien zu optimieren. Die Wissenschaftler planen als nächsten Schritt, mithilfe der Technologie zu untersuchen, wie sich verschiedene Anodenoberflächen wie Kupfer auf die Optimierung der Lithiumabscheidung und der Interphasenschicht auswirken können.
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