Der Weg zu effizienteren Batterien

Mithilfe von Röntgendiffraktionstomographie und der Unterstützung von maschinellem Lernen hat ein internationales Forscherteam einen wichtigen Degradationsprozess vermessen, der in Batteriekathoden auftritt.

Csm Dr Anatoliy Senyhshyn 1db3df31c1 Am Strukturpulverdiffraktometer SPODI führte Dr. Anatoliy Senyshyn die Messungen durch, die wichtige Erkenntnisse über die Degradationsprozesse in Batteriekathoden ermöglichten. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Am Strukturpulverdiffraktometer SPODI führte Dr. Anatoliy Senyshyn die Messungen durch, die wichtige Erkenntnisse über die Degradationsprozesse in Batteriekathoden ermöglichten. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Der wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akku ist eine bahnbrechende Technik, die bereits zuverlässig Strom für mobile Geräte liefert. Dennoch gibt es Verbesserungspotenzial, wie zum Beispiel bei der Lebensdauer, der Sicherheit und den Materialkosten.

Die Kathode verliert Ladungskapazität

Die Forschenden haben spezifische Prozesse identifiziert, welche für die Verschlechterung der Batterieleistung während des Betriebs verantwortlich sind. Um herauszufinden, warum heutige Kathoden im Dauerbetrieb an Ladungskapazität verlieren, musste das Material der Kathode mit der passenden Genauigkeit vermessen werden. Aus diesen Anforderungen heraus entstand ein neuer experimenteller Ansatz, mit dem sich die Prozesse an der Kathode genau untersuchen lassen.

Die Messungen erfolgten simultan mittels einer Kombination aus mikrofokussierter Röntgendiffraktometrie und Fluoreszenstomographie. Die gesammelten Daten wurden zusätzlich durch Neutronen-Pulverdiffraktometrie ergänzt. Eine zentrale Rolle spielte dabei die Verwendung von maschinellem Lernen, um die extrem großen Datenmengen der Messungen zu verarbeiten und zu analysieren.

Stabilitaet_von_Kathodenmaterialien_in_LIBs_SPODI_Senyshyn Künstlerische Interpretation einer neuen Batterietechnologie, die z. B. die Akkus von Smartphones verbessert. © generiert mit KI, ChatGPT, bearbeitet von Reiner Müller (FRM II)

Künstlerische Interpretation einer neuen Batterietechnologie, die z. B. die Akkus von Smartphones verbessert. © generiert mit KI, ChatGPT, bearbeitet von Reiner Müller (FRM II)

Einblick in die Degradationsprozesse

Das Team beobachtete zahlreiche Veränderungen in der Kathode nach mehr als 100 Lade- und Entladezyklen – mit einer bisher unerreichten räumlichen Genauigkeit von etwa einem Mikrometer in allen drei Dimensionen. Die beobachteten Details gaben einzigartige Einblicke in Veränderungen der chemischen Zusammensetzung, der chemischen Phasen und der Morphologie der Kathode. Dadurch konnten die für das ausgewählte Kathodenmaterial spezifischen Degradationsmechanismen, die Rolle der Kohlenstoffmatrix und des Bindemittels bei der Alterung der Batterie definiert werden. Diese Ergebnisse zeigen, wie sich die Kathodenmaterialien verbessern lassen, damit sie effizienter und nachhaltiger werden.

Publikation

W. B. Hua, J. N. Chen, D. F. Sanchez, B. Schwarz, Y. Yang, A. Senyshyn, Z. G. Wu, C. H. Shen, M. Knapp, H. Ehrenberg, S. Indris, X. D. Guo, X.P. Ouyang, Probing Particle-Carbon / Binder Degradation Behavior in Fatigued Layered Cathode Materials through Machine Learning Aided Diffraction Tomog-raphy, Angew. Chem. Int. Ed. 63, e202403189 (2024) DOI: 10.1002/anie.202403189

Weitere Informationen

Die Experimente wurden durchgeführt: MSPD, ALBA, Spanien; P02.1, PETRA III / DESY, Deutschland; X05LA, SLS / PSI, Schweiz; und SPODI, MLZ