TU Graz will „schlummernde Reserve“ von Li-Ion-Akkus finden

In der Mitteilung zu der aktuellen Forschung schreibt die TU Graz, dass Lithium-Eisenphosphat-Akkus ihre theoretische Stromspeicherkapazität in der Praxis um bis 25 Prozent unterbieten – und dass die Fachwelt nach wie vor rätsle, warum das so sei. Klar ist allerdings: Wenn diese „schlummernde Kapazitätsreserve“ genutzt werden soll, wäre die genaue Kenntnis darüber entscheidend, wo und wie sich Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen im Batteriematerial einlagern und wieder herauslösen.

Genau das hat das Team um Daniel Knez an der TU Graz jetzt erreicht – beziehungsweise nach eigenen Angaben sei „ein wesentlicher Schritt dazu gelungen“. Bei Untersuchungen mit Transmissionselektronenmikroskopen konnten sie die Lithium-Ionen auf ihrem Weg durch das Batteriematerial systematisch verfolgen, ihre Anordnung im Kristallgitter einer Eisenphosphat-Kathode mit „noch nie dagewesener Auflösung“ abbilden und ihre Verteilung im Kristall genau quantifizieren, wie die TU Graz mitteilt.

„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass auch bei vollständigem Laden der Testbatteriezellen Lithium-Ionen im Kristallgitter der Kathode zurückbleiben, anstatt zur Anode zu wandern. Diese immobilen Ionen kosten Kapazität“, sagt Daniel Knez vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz.

Zudem konnte beobachtet werden, dass die immobilen Lithium-Ionen ungleichmäßig in der Kathode verteilt sind. Dank der hohen Auflösung konnten die Forschenden diese Bereiche, in denen das Lithium unterschiedlich stark angereichert war, genau bestimmen und bis auf wenige Nanometer voneinander abgrenzen. Bei einer eingehenden Analyse dieser Bereiche fanden sie dann Verzerrungen und Verformungen im Kristallgitter der Kathode. „Diese Details liefern wichtige Hinweise auf physikalische Effekte, die der Batterieeffizienz bislang entgegenwirken und die wir bei der Weiterentwicklung der Materialien berücksichtigen können“, sagt Ilie Hanzu vom Institut für Chemie und Technologie von Materialien, der an der Untersuchung eng beteiligt war.

Kurz zur Methodik: Für ihre Untersuchungen haben die Forschenden Materialproben aus den Elektroden ge- und entladener Akkus herauspräpariert und unter anderem am atomar auflösenden ASTEM-Mikroskop der TU Graz untersucht. Dabei kombinierten sie Elektronenenergieverlustspektroskopie mit Messungen zur Elektronenbeugung und Bildgebung auf atomarer Ebene.

„Durch die Kombination verschiedener Untersuchungsmethoden konnten wir bestimmen, wo das Lithium in den Kristallkanälen positioniert ist und auf welchen Wegen es dort hingelangt“, erläutert Nikola Šimić vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik und Erstautor des Papers zu den Ergebnissen, die das Forschungsteam kürzlich im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht hat. „Die von uns entwickelten Methoden und die gewonnen Erkenntnisse zur Ionendiffusion lassen sich mit nur geringen Anpassungen auch auf andere Batteriematerialien übertragen, um sie noch präziser zu charakterisieren und weiterzuentwickeln.“

tugraz.at, doi.org (Fachartikel in der Advanced Energy Materials)