Neue Batterien: Kleiner, leichter und jetzt auch noch sicherer

Das Projekt LISI Lithium-Ionen-Batterien werden bei dem Projekt genauer unter die Lupe genommen. © A. Heddergott (TUM)

Lithium-Ionen-Batterien werden bei dem Projekt genauer unter die Lupe genommen. © A. Heddergott (TUM)

Das amerikanische Innenministerium hat das Batterieprojekt namens LISI (Lithium-Solid-Electrolyte-Interfaces) als Sonderinitiative im April 2019 ins Leben gerufen. LISI ist eine Kooperation zwischen sechs amerikanischen Spitzenforschungsinstituten, darunter zum Beispiel die Stanford University und das Massachusetts Institute of Technology MIT, und fünf deutschen Partnern. Dabei ist das MLZ der einzige Vertreter seitens der Technischen Universität München (TUM). Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die deutschen Institute in diesem einzigartigen Kooperationsprojekt mit einem Budget von jeweils ca. 250.000 € für drei Jahre. Die Fördersumme nutzt das Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) wesentlich für eine Postdoktoranden-Stelle sowie für Meetings zwischen den Partnerinstituten.

Batterie-Modell Schema-Zeichnung einer Batterie mit Lithium-Ionen- und Elektronenfluss sowie möglichen Grenzflächen. © Luisa Heyer (FRM II/TUM)

Schema-Zeichnung einer Batterie mit Lithium-Ionen- und Elektronenfluss sowie möglichen Grenzflächen. © Luisa Heyer (FRM II/TUM)

Batterien verstehen und verbessern
Im Gegensatz zu anderen Metallen besitzt Lithium als Ladungsträger für Batterien viele Vorteile, wie zum Beispiel sein geringes Gewicht und seine hohe Bereitwilligkeit Elektronen für den Stromfluss abzugeben. Somit ließen sich in den letzten Jahren immer leichtere und kleinere Batterien mit einer hohen Energiedichte herstellen. Das ist besonders für den boomenden Elektromobilitätsmarkt von Bedeutung. Auf der anderen Seite ist das Element sehr reaktionsfreudig und leicht brennbar. Berichte von brennenden Handys, Elektroautos oder gar E-Zigaretten zeigen das Risiko, das Lithium-Akkus bergen. Das Ziel von LISI ist daher die Erforschung von chemischen Prozessen innerhalb der Lithium-Ionen-Festkörperbatterien sowie die Verbesserung von deren Sicherheit. Das deutsche Forschungsteam um Dr. habil. Ralph Gilles vom MLZ will dabei die Grenzflächen zwischen dem Festkörperelektrolyten und den Elektroden der Batterien genauer unter die Lupe nehmen. Bei der Bildung dieser Grenzflächen kommt es zur Bildung von lithiumhaltigen Schichten, welche zum einen Auswirkungen auf die Lebensdauer sowie auf die Sicherheit der Batterie haben können. „Um die Lebensdauer und Sicherheit von Lithiumionen-Batterien in Zukunft zu verbessern, brauchen wir zunächst ein genaueres Verständnis von der Reaktivität und dem Wachstumsverhalten von lithiumhaltigen Verbindungen in den Grenzflächen“, erklärt Dr. Gilles.

Neutronen liefern tieferen Einblick
Für eine umfassende Charakterisierung der Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrode führen die Wissenschaftler ihre Untersuchungen an mehreren Instrumenten der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) durch. Geplant ist die Nutzung der Diffraktions- und der Kleinwinkelstreuinstrumente sowie insbesondere der Einsatz von der Neutronentiefenprofilanalyse.
„Mit Neutronen können wir uns erstmals die Verteilung von Lithium-Ionen in der Batterie während des Batteriebetriebs anschauen!“, betont Dr. Gilles. „Das heißt, wir müssen die Proben nicht öffnen, um einen Einblick in die Prozesse im Innern der Batterie zu erhalten.“ Neutronen besitzen zudem eine relativ hohe Sensitivität zu leichten Elementen wie Lithium sowie eine hohe Eindringtiefe, ohne dabei die Komponenten der Batterie zu beschädigen, wie es bei Röntgenstrahlung vorkommen kann.
Somit ist das MLZ nicht nur der einzige Stellvertreter der TUM in diesem Projekt, sondern bezieht zudem eine einzigartige Position auf deutscher Seite durch den Einsatz der Neutronenforschung.

Weitere Informationen
Zu dem Forschungsprojekt LISI gehören folgende Partner:

Das BMBF fördert die deutschen Projektpartner mit insgesamt 1,66 Millionen Euro. Die amerikanischen Institute werden vom U.S. Department of Energy unterstützt. LISI ist zunächst für die Dauer von drei Jahren angelegt.