Deutsche Forscher untersuchen Alterung von Feststoffbatterien
Das Team des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Justus-Liebig-Universität Gießen hat eine neue Methode vorgestellt, um elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie mit Photoelektronenspektroskopie genau zu verfolgen. Die Ergebnisse sollen helfen, Batteriematerialien und -design zu verbessern.
Im Fokus der Forschenden stand dabei die sogenannten Grenzflächen, also der Übergang zwischen den Elektroden und dem Festelektrolyt. Denn dort bilden sich Zersetzungsprodukte und Zwischenphasen, die den Transport der Lithium-Ionen behindern und zu einem Verbrauch von aktivem Lithium führen, so dass die Kapazität der Batterien mit jedem Ladezyklus abnimmt.
Dabei nutzte das Team um Elmar Kataev die „analytischen Möglichkeiten des Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL)“, genauer gesagt die Synchrotron-Strahlungsquelle BESSY II. Röntgenstrahlen treffen dabei auf die Probe, regen die Atome darin an und die emittierten Photoelektronen in Abhängigkeit von der angelegten Zellspannung und der Zeit geben Aufschluss über die Reaktionsprodukte.
„Unter welchen Bedingungen und bei welcher Spannung finden solche Reaktionen statt, und wie entwickelt sich die chemische Zusammensetzung dieser Zwischenphasen während des Zellbetriebs?“, erläutert Kataev die Forschungsfragen. Die Zelle für die Tests basierte auf Proben des Festelektrolyten Li6PS5Cl, „ein Material, das aufgrund seiner hohen Ionenleitfähigkeit als bester Kandidat für Feststoffbatterien gilt“, so das Helmholtz-Zentrum Berlin. Als Arbeitselektrode diente eine hauchdünne Schicht aus Nickel (30 Atomlagen oder 6 Nanometer). Auf die andere Seite des Li6PS5Cl-Pellets wurde ein Lithiumfilm gepresst, der als Gegenelektrode diente.
Ein erstes Ergebnis dieser Tet-Materialien: Die Zersetzungsreaktionen sind nur teilweise reversibel. In einem nächsten Schritt will das HZB-Team diesen Ansatz erweitern und auch Batterien mit Polymerelektrolyten und verschiedenen Anoden- und Kathodenmaterialien untersuchen. Und auch mit internationalen Partnern stehen Kooperationen im Raum: „Das HZB-Team hat bereits Anfragen von Forschergruppen aus dem In- und Ausland erhalten, die ebenfalls an diesem Charakterisierungsansatz interessiert sind“, so das HZB.
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