Auf dem Weg zur Super-Batterie

Dr. Anatoliy Senyshyn Dr. Anatoliy Senyshyn bereitet Messungen am Instrument SPODI vor. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

Dr. Anatoliy Senyshyn bereitet Messungen am Instrument SPODI vor. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

Mit Neutronen hat ein Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) tief in das Innere von Batterien geblickt, während diese geladen und entladen wurden. Die aus den Beobachtungen gewonnenen Erkenntnisse könnten dabei helfen, Ladevorgänge zu optimieren.

Wird ein Elektro-Auto aufgeladen, steigt die Ladeanzeige anfangs schnell, zum Schluss aber deutlich langsamer. „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“, erklärt Dr. Anatoliy Senyshyn von der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM).

Wie die innere Struktur einer Batterie vor und nach dem Laden aussieht, ist bereits bekannt. Ein Forschungs-Team unter Leitung des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums an der TUM beobachtete nun erstmals auch die Lithium-Verteilung einer Batterie während des kompletten Lade- und Entladeprozesses am Materialforschungsdiffraktometer STRESS-SPEC. Die Messungen überprüften sie am hochauflösenden Pulverdiffraktometer SPODI.

Bunte Batterien Batterien sind ein wichtiger Teil des Alltags. Forschende am MLZ suchen nach Wegen, um sie noch besser zu machen. © Eckert / Heddergott, TUM

Batterien sind ein wichtiger Teil des Alltags. Forschende am MLZ suchen nach Wegen, um sie noch besser zu machen. © Eckert / Heddergott, TUM

Verteilung der Lithium-Ionen entscheidend
Beim Laden wandern die Lithium-Ionen dabei von der positiv geladenen Anode zur negativ geladenen Kathode, beim Entladen in die andere Richtung.

In den nun durchgeführten Untersuchungen konnten die Forschenden beobachten, dass sich die Verteilung des Lithiums beim Laden und Entladen ständig verändert. „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 hundert Prozent. Eine gleichmäßige Verteilung steigert dagegen die Leistungsfähigkeit“, erklärt Senyshyn.
 
Genauer, kleiner, besser
Den Forschenden gelang es, die ungleiche Verteilung von Lithium in einer Batterie mit sehr hoher Auflösung festzuhalten: Um die gesamte Batterie zu erfassen, untersuchten sie ein winziges Teilvolumen nach dem anderen und setzten diese Einzelmessungen dann zu einem großen Bild zusammen.

Mithilfe des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft und der European Synchrotron Radiation Facility ESRF war es möglich, Teilvolumina mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu wählen. Dadurch erkannten die Forschenden, dass nicht nur entlang der Elektrodenschichten, sondern auch senkrecht zu den Schichten das Lithium ungleich verteilt ist.

Schnell laden vs. Reichweite
Die beobachteten Effekte könnten langfristig dabei helfen, Akkus, zum Beispiel für Elektro-Autos, weiterzuentwickeln, so Senyshyn: „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.“