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04.02.2020

Mehr Akku, mehr Energiewende

Mehr Akku, mehr Energiewende Mehr Akku, mehr Energiewende Dr. Neelima Paul justiert die zu untersuchende Batterie am Instrument STRESS-SPEC © Wenzel Schürmann/ TUM

Dr. Neelima Paul justiert die zu untersuchende Batterie am Instrument STRESS-SPEC © Wenzel Schürmann/ TUM

Batterien mit einer Anode aus Kohlenstoff und Silizium speichern mehr Energie als Anoden aus reinem Kohlenstoff. Damit sind sie höchst interessant für die Energiewende. Um ihre Effizienz zukünftig zu steigern, untersuchten Ulmer Forscher die Batterien mit Neutronen am MLZ und entdeckten einen neuen Alterungsmechanismus, der sie von reinen Graphitanoden unterscheidet.

Gemeinsam mit Forschern vom Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung in Ulm (ZSW) untersuchte die Arbeitsgruppe um Dr. Ralph Gilles vom MLZ die Kohlenstoff-Silizium-Anode (C/Si-Anode) mit Neutronen. Diese Anode ist vielversprechend, weil sie bei gleicher Beschichtungsdicke mehr Energie speichert, als herkömmliche Anoden. Elektroautos könnten mit einer Aufladung längere Strecken fahren und Windkraft könnte effizienter zwischengespeichert werden.

„Um Batterien herzustellen, die länger halten und mehr Energie speichern, müssen wir deren Alterungsprozess verstehen“, sagt Dr. Thomas Waldmann vom ZSW.

Kalt macht alt

Generell altert eine Batterie, die aufgeladen wird, bei Kälte schneller als bei Raumtemperatur. Für das Neutronenexperiment am Messinstrument STRESS-SPEC setzte das Team gemeinsam mit Instrumentwissenschaftler Dr. Michael Hofmann die Batterie einem künstlichen Alterungsprozess aus. Sie kühlten sie auf Minusgrade ab, luden sie auf und beobachteten die Prozesse in der Batterie, während sie in ihren Gleichgewichtszustand zurückkehrte (Relaxationprozess).

Neutronen enthüllen Alterungsprozess

Mehr Akku, mehr Energiewende Mehr Akku, mehr Energiewende Das Team, das die Experimente am Instrument STRESS-SPEC durchführte (von links nach rechts): Dr. Neelima Paul (TUM), Nicola Jobst (ZSW), Dr. Thomas Waldmann (ZSW), Dr. Rares-George Scurtu (ZSW), Karsten Richter (ZSW), Dr. Ralph Gilles (TUM) © Michael Hofmann/ TUM

Das Team, das die Experimente am Instrument STRESS-SPEC durchführte (von links nach rechts): Dr. Neelima Paul (TUM), Nicola Jobst (ZSW), Dr. Thomas Waldmann (ZSW), Dr. Rares-George Scurtu (ZSW), Karsten Richter (ZSW), Dr. Ralph Gilles (TUM) © Michael Hofmann/ TUM

Während die Batterie lädt, lagern sich die Lithiumionen aus der Elektrolytflüssigkeit in das Gerüst der Anode ein (Lithiierung). Bei einer langsamen Aufladung werden Kohlenstoff und Silizium gleichermaßen lithiiert.

Für das Experiment erhöhten die Forscher die Ladegeschwindigkeit. Zuerst nimmt vor allem der Kohlenstoff die Lithium-Ionen auf, später lagern sie sich auch im Silizium ein. Zusätzlich fällt Lithium in Form metallischer Ablagerung auf der Anode aus, wo es an seiner Oberfläche mit Elektrolyt reagiert. Es ist dadurch teilweise nicht mehr für die Batterie verfügbar. Die Batterie altert.

Nachdem der Ladevorgang beendet wird, beginnt die Relaxationsphase. Die Forscher beobachteten dabei zwei Prozesse. Zum einen lagerte sich das metallische Lithium während der Anfangsrelaxation wieder in den Graphit (und vermutlich auch in das Silizium) ein. Die zweite Beobachtung ist noch interessanter. In der späteren Relaxationsphase wird das Lithium umverteilt. Es löst sich aus dem Graphit und geht eine Verbindung mit Silizium ein.

Das heißt: In C/Si-Anoden läuft der Alterungsprozess anders ab als in reinen Graphitanoden. Die konnte mit den Neutronenmessungen nun zum ersten Mal nachgewiesen werden.

Blick ins Innere des Akkus

In einem kristallinen Atomgerüst können Neutronen zeigen, wie sich die Lithium-Ionen einlagern (Lithiierung). Reiner Graphit und lithiierter Graphit, sind kristallin. Sobald Lithium jedoch eine Verbindung mit Silizium eingeht, taucht es in den Messergebnissen nicht mehr auf. Dies liegt daran, dass lithiiertes Silizium ein unregelmäßiges Atomgerüst hat.

„Um den neuen Alterungsmechanismus zu offenbaren, zogen wir also Rückschlüsse aus den gemessenen lithiierten Graphitreflexen“, so Dr. Neelima Paul.

Für die Wissenschaftler sind die Ergebnisse ein Wegweiser zu einer zukünftigen Batteriegeneration, die auch die Energiewende beeinflussen kann. Um Akkus mit höherer Speicherkapazität und längerer Lebensdauer zu bauen, werden sie weiter an den Mechanismen in C/Si-Anoden forschen.

Originalpublikation:

K. Richter, T. Waldmann, N. Paul, N. Jobst, R.-G. Scurtu, M. Hofmann, R. Gilles, M. Wohlfahrt-Mehrens, Low-Temperature Charging and Aging Mechanisms of Si/C Composite Anodes in Li-Ion Batteries – An Operando Neutron Scattering Study, ChemSusChem, 2019, DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.201903139

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