Wie alt bist du, Batterie?

Der Kapazitätsverlust von Batterien gehört zu den größten Bremsen der E-Mobilität und der Industrie. Ein Forscherteam des FRM II und anderer Institutionen validiert nun eine Methode, mit der sich die Verteilung der Elemente in der Anode einer Batterie bestimmen und so die Alterung besser verstehen lässt.

Csm img 9073 4f742d5faa Ivana Pivarníková testet den Innenwiderstand einer Batterie. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Ivana Pivarníková testet den Innenwiderstand einer Batterie. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Es ist eine gängige Erfahrung, dass ein neues Mobiltelefon anfangs mit einer einzigen Ladung durch den Tag kommt. Doch schon nach wenigen Monaten stellt man fest, dass man sicherheitshalber ein Ladekabel mitnehmen sollte: Der Akku altert. Der Grund dafür ist meist der Verlust von freiem Lithium, das sich mit jedem Ladezyklus zunehmend und irreversibel in einer Schicht auf der Anode der Akkuzelle ablagert.

Ein tiefer Blick in die Anode
Um den Einfluss von Alterungseffekten auf künftige Batteriegenerationen zu minimieren, ist ein genaues Verständnis dieser Effekte entscheidend. Dazu gehört auch die Charakterisierung des Tiefenprofils einer Probe. In einem aktuellen Beitrag haben Forscher unter anderem vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) nun eine Methode validiert, die verspricht, solche Untersuchungen präziser und schneller durchzuführen.
Sie verglichen erstmals die beiden etablierten Methoden der Optischen Emissionsspektroskopie bei Glimmentladungen (GD-OES) und des Neutron Depth Profiling (NDP) bei der Untersuchung von Anoden gealterter Batterien.

20240718 newsmeldung batterie 02 Akkus altern. Meist liegt es an dem Verlust des freien Lithiums, das sich mit jedem Ladezyklus zunehmend und irreversibel in einer Schicht auf der Anode der Akkuzelle ablagert. © FRM II / TUM

Akkus altern. Meist liegt es an dem Verlust des freien Lithiums, das sich mit jedem Ladezyklus zunehmend und irreversibel in einer Schicht auf der Anode der Akkuzelle ablagert. © FRM II / TUM

Neutronen sind nicht zerstörerisch
“Die Neutronentechnik kann die GD-OES-Methode verbessern und validieren”, sagt Ivana Pivarníková. Sie ist Doktorandin in der Gruppe Advanced Materials am MLZ und hat mit Dr. Neelima Paul (DEVA-Gruppe) an diesem Projekt gearbeitet. Pivarníková, die zusammen mit Dr. Marius Flügel vom ZSW die Erstautorin des Artikels ist, erklärt weiter: “NDP hat den Vorteil, dass eine größere Materialoberfläche in einer Messung untersucht werden kann und dass es im Vergleich zu vielen anderen Methoden nicht zerstörerisch für die Probe ist.”

Obwohl die klassische Berechnung des Tiefenprofils auf Proben mit homogener Elementverteilung basiert, verbesserten die Forscher die Methode, indem sie die Dicke der Lithiumschicht auf der Anode mit hoher Genauigkeit bestimmten. Dennoch hat die NDP-Methode den Vorteil, dass die Probe während der Messungen nicht beschädigt wird und größere Probenflächen berücksichtigt werden können. Sie ist auch für die Validierung der GD-OES-Methode zum Nachweis von Lithium unerlässlich. Die GD-OES-Methode ist jedoch für mehr oder weniger alle chemischen Elemente empfindlich. Mit diesen Erkenntnissen können GD-OES und NDP als komplementäre experimentelle Methoden betrachtet werden.