Zelle mit Fenstern: Neues Design in der Lithium-Batterieforschung

Knopfzelle mit Fenstern Die winzigen Fenster mit einem Durchmesser von je 500 µm haben die Wissenschaftler mit einem Laser in den Deckel der Knopfbatterie eingebracht. Der geringe Durchmesser der lasergeschnittenen Löcher ist notwendig, da auf diese Weise der Anpressdruck auf den Elektrodenstapel auch im Bereich der Austrittsfenster ausreichend hoch für eine gute elektrochemische Performance bleibt. © A. Heddergott / TUM

Die winzigen Fenster mit einem Durchmesser von je 500 µm haben die Wissenschaftler mit einem Laser in den Deckel der Knopfbatterie eingebracht. Der geringe Durchmesser der lasergeschnittenen Löcher ist notwendig, da auf diese Weise der Anpressdruck auf den Elektrodenstapel auch im Bereich der Austrittsfenster ausreichend hoch für eine gute elektrochemische Performance bleibt. © A. Heddergott / TUM

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben ein neues Zelldesign für Lithium-Ionen-Batterien zur Materialcharakterisierung entwickelt. Die „Batterie mit Fenstern“ ermöglicht es ihnen, mithilfe von Neutronen die Lithiumkonzentration innerhalb einer Elektrode als Funktion der Tiefe während des Auf- und Entladens zu messen. Die neue Technik kann dabei helfen, Reaktionsmechanis- men in Batterien aufzuklären und Alterungsphänomene zu verstehen.

Lithium-Ionen-Batterien begegnen uns im Alltag überall, ob in Armbanduhren, Smartphones, Laptops oder Elektrofahrzeugen. Chemiker und Physiker der Technischen Universität München (TUM) haben sich in einem lehrstuhlübergreifenden Forschungsprojekt nun genauer mit der
Diagnostik von Reaktionsmechanismen in diesen Energieträgern beschäftigt.

Um die Verteilung der Lithiumkonzentration in Batterieelektroden operando, also direkt während des Auf- und Entladens, zu beobachten, nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Anlage zur Prompte-Gamma-Aktivierungsanalyse (PGAA) an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM. Der Instrumentverantwortliche Dr. Zsolt Revay und Doktorand Markus Trunk ermöglichen dort Experimente mit der Neutronentiefenprofilanalyse (Neutron Depth Profiling, NDP). „Mit NDP lassen sich Proben zerstörungsfrei analysieren, die Methode bietet sich für unsere Untersuchungen also sehr gut an“, erklärt Fabian Linsenmann, Doktorand am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie und Erstautor der Studie.

Tiefenprofilanalyse in der Batterieforschung

Probenpräparation Fabian Linsenmann (rechts) bereitet die luftempfindlichen Lithium-Ionen Zellen in einer Glovebox für das Experiment vor. Masterstudent Philip Rapp (links) testet die Proben vor der NDP-Untersuchung an einem Batteriezykler. © F. Linsenmann / TUM

Fabian Linsenmann (rechts) bereitet die luftempfindlichen Lithium-Ionen Zellen in einer Glovebox für das Experiment vor. Masterstudent Philip Rapp (links) testet die Proben vor der NDP-Untersuchung an einem Batteriezykler. © F. Linsenmann / TUM

Das Prinzip der Tiefenprofilanalyse an der PGAA macht sich den Energieverlust geladener Teilchen beim Durchqueren von Materie zu Nutze. Natürliches Lithium besteht zu ca. 93 % aus dem Isotop ⁷Li und ca. 7 % aus ⁶Li. Wird ⁶Li mit kalten Neutronen bestrahlt, können diese von den Lithium-Kernen eingefangen werden. Die Kerne zerfallen daraufhin und es entstehen zwei geladenen Teilchen mit definierten Energien, Tritium (³H⁺) und alpha-Teilchen (⁴He²⁺).

Auf ihrem Weg durch Materie verlieren die Teilchen Energie. Der Detektor misst die verbleibende Energie der Teilchen und die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verfolgen so den genauen Entstehungsort des Teilchens in der Batteriezelle zurück. Damit erhalten sie Aufschluss über Menge und Verteilung des Lithiums in der Batterie. „Die Herausforderung bei dieser Methode ist, dass die geladenen Teilchen ihre Energie sehr schnell verlieren“, führt Linsenmann aus. Kommerzielle Batteriezellen kämen für eine NDP Untersuchung also nicht in Frage, „denn die Wände jeder normalen Batteriezelle sind so dick, dass die Teilchen den Detektor nicht mehr erreichen würden.“

Neues Design – neue Erkenntnisse

Die Wissenschaftler aus dem Physik-Department (Elementarteilchenphysik bei niedrigen Energien) und der Chemie (Technische Elektrochemie) haben sich also etwas Besonderes einfallen lassen: Eine Knopfzellenbatterie, wie man sie z.B. von einer Armbanduhr kennt, mit kleinen Fenstern, die einerseits für die geladenen Teilchen durchlässig ist, sich elektrochemisch aber so verhält wie eine herkömmliche Lithium-Ionen-Zelle. „Wir waren die ersten, die tatsächlich gezeigt haben, dass das neue Zellendesign, welches wir für unsere NDP-Untersuchung entwickelt haben, hinsichtlich der elektrochemischen Performance mit einer normalen Batterie vergleichbar ist“, erklärt Linsenmann einen wesentlichen Bestandteil des Forschungsprojektes.

Neues Zelldesign gibt Einblick in Ermüden der Batterie

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten damit aufschlussreiche Erkenntnisse über die Eigenschaften des so genannten „Solid Electrolyte Interface“ (SEI) gewinnen. Diese Schicht bildet sich in Lithium-Ionen-Batterien beim ersten Laden an der Grenzfläche zwischen Graphitpartikeln, aus denen die Anode der Zelle besteht, und Elektrolyt aus. Sie schützt den Elektrolyten davor, beim weiteren Auf- und Entladen der Zelle zersetzt zu werden. Die Bildung der SEI bindet einen Teil des verfügbaren Lithiums in der Batterie und bringt damit einen irreversiblen Kapazitätsverlust mit sich.

Beim quantitativen Vergleich der mittels NDP beobachteten Lithiummenge in der SEI und der rechnerisch über die Lade-/Entladekapazität berechneten, wurde es spannend: Die beim Experiment beobachtete Lithiumkonzentration war deutlich niedriger als erwartet. Eine mögliche Erklärung hierfür wäre, dass ein signifikanter Teil der lithiumhaltigen Verbindungen in der SEI im Elektrolyten löslich ist und während der Dauer des Experiments (ca. 24 Stunden) in die elektrolytgefüllte Trennschicht zwischen Anode und Kathode diffundiert.

Die Grundlagenerkenntnisse und das neu entwickelte Zelldesign können für zukünftige Studien von Nutzen sein und dabei helfen Alterungsmechanismen in Batterien besser aufzuklären, zu messen und zu verstehen.