Innovative Batterieforscher haben den Code geknackt, um Echtzeit-3D-Bilder der vielversprechenden, aber temperamentvollen Lithium-Metall-Batterie während ihres Zyklus zu erstellen. Einem Team der Chalmers University of Technology, Schweden, ist es gelungen zu beobachten, wie sich das Lithiummetall in der Zelle beim Laden und Entladen verhält.

Batterieforscher wollten schon lange Lithiummetall in einer funktionierenden Lithiummetallbatterie untersuchen. Jetzt haben Forscher aus Chalmers eine Methode entwickelt, um zu verfolgen, wie sich das Lithium in der Batteriezelle beim Radfahren verhält. Mit einer speziell konstruierten Zelle und mittels Röntgentomographie-Mikroskopie können die Forscher das Innenleben der Batterie in Echtzeit in 3D beobachten. Das neue Verfahren kann zu Batterien mit höherer Kapazität und erhöhter Sicherheit in unseren zukünftigen Autos und Geräten beitragen. Bildnachweis: Chalmers University of Technology

Das neue Verfahren kann zu Batterien mit höherer Kapazität und erhöhter Sicherheit in unseren zukünftigen Autos und Geräten beitragen.

„Wir haben ein neues Fenster geöffnet, um die Lithium-Metall-Batterien der Zukunft zu verstehen und langfristig zu optimieren. Wenn wir genau untersuchen können, was mit dem Lithium in einer Zelle während des Zyklus passiert, gewinnen wir wichtige Erkenntnisse darüber, was ihr Innenleben beeinflusst“, sagt Aleksandar Matic, Professor am Department of Physics in Chalmers und Leiter der kürzlich veröffentlichten wissenschaftlichen Studie In Nature Communications veröffentlicht .

Die Hoffnung ist groß, dass neue Batteriekonzepte wie Lithium-Metall-Batterien die heutigen Lithium-Ionen-Batterien ersetzen können. Das Ziel ist es, energiedichtere und sicherere Batterien zu entwickeln, die uns zu geringeren Kosten weiterbringen – sowohl finanziell als auch ökologisch. Als vielversprechende Alternativen gelten unter anderem Festkörperbatterien, Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Sauerstoff-Batterien. Alle diese Konzepte bauen auf der Idee auf, dass die Batterieanode aus einem Lithiummetall statt aus Graphit besteht, das in heutigen Batterien verwendet wird. Ohne Graphit wird die Batteriezelle leichter, und mit Lithiummetall als Anode lassen sich auch kapazitätsstarke Kathodenmaterialien verwenden. Dadurch ist es möglich, die drei- bis fünffache Energiedichte zu erreichen.

Lithium bildet unerwünschte Mikrostrukturen

Lithium-Metall-Akkus haben jedoch ein entscheidendes Problem: Beim Laden oder Entladen des Akkus scheidet sich das Lithium nicht immer so flach und glatt ab, wie es sollte. Oft bildet es moosige Mikrostrukturen oder Dendriten, lange nadelartige Strukturen, und Teile des abgeschiedenen Lithiums können isoliert werden und sind dann inaktiv. Dendriten riskieren auch, die andere Batterieelektrode zu erreichen und einen Kurzschluss zu verursachen. Daher ist es entscheidend zu verstehen, wann, wie und warum sich diese Strukturen bilden.

„Um diese Technologie in der nächsten Batteriegeneration einsetzen zu können, müssen wir sehen, wie eine Zelle von Faktoren wie Stromdichte, Elektrolytwahl und Zyklenzahl beeinflusst wird. Jetzt haben wir ein Werkzeug dafür“, sagt Chalmers-Forscher Matthew Sadd, Hauptautor dieser neuen Studie zusammen mit seinem Kollegen Shizhao Xiong.

Gespanntes Warten auf den ersten Blick

Das Experiment zur Beobachtung der Bildung von Lithium-Mikrostrukturen in einer Arbeitszelle wurde an der Swiss Light Source bei Zürich in der Schweiz durchgeführt. In atemloser Erwartung bereiteten die Forscher eine speziell entwickelte Batteriezelle vor, um zu untersuchen, wann sich Lithium ablagert, in Echtzeit und in 3D unter Verwendung von Röntgentomographie-Mikroskopie. Obwohl viele Forscher Lithiummetall in einer funktionierenden Zelle untersuchen wollten, war dies, soweit das Team wusste, niemandem möglich. Wenn dies gelingt, wäre dies ein großer Fortschritt im Vergleich zur Analyse von Bildern, nachdem eine Zelle zyklisiert wurde.

„Es war magisch, als wir mit eigenen Augen sahen, dass es beim ersten Versuch funktionierte“, sagte Matic. „Als wir beobachteten, wie das Lithium große Strukturen wie riesige Nadeln erzeugte, war es fast wie bei einem Mondlandeprojekt. Das Innenleben von Batterien wollten wir schon lange in Echtzeit beobachten. Und jetzt können wir es.“

Schlüsselstück des Puzzles für den großflächigen Einsatz

Jetzt möchte das Forschungsteam die Technik an anderen Batteriekonzepten testen, in der Hoffnung, dass die notwendige Bildgebungstechnologie näher an der Heimat verfügbar sein wird, beispielsweise im schwedischen MAX IV-Labor, einer nationalen Forschungseinrichtung für fortschrittliche Röntgenexperimente.

„Wir freuen uns darauf, diese Methode zu entwickeln, um schnellere Messungen mit höherer Auflösung durchzuführen, um zu sehen, wie sich frühzeitig im Abscheidungsprozess detailliertere Mikrostrukturen bilden“, sagt Matic. „Dies ist ein zentrales Puzzleteil, um Lithium-Metall-Batterien in großem Umfang einsetzen und sicher machen zu können. Viele Forschungsteams und Unternehmen prüfen das Lithium-Metall-Konzept für ihre zukünftigen Prototypen.“

Mehr zur Forschung

Mehr über die Batterien von heute und die nächste Batteriegeneration

• Auf der Suche nach der nächsten Generation von energiedichten, ressourcenschonenden Batterien gehören Lithium-Metall-Batterien zu den vielversprechenden Konzepten. Die Hoffnung ist, dass der neue Batterietyp die heutigen Lithium-Ionen-Batterien ersetzen wird, insbesondere in verschiedenen Arten von Elektrofahrzeugen. Ziel ist es, energiedichte, sichere Batterien zu entwickeln, die uns zu geringeren Kosten weiterbringen – sowohl finanziell als auch ökologisch.
• Bei Lithium-Ionen-Batterien wird das Lithium in Graphit gespeichert, der selbst nicht zur Aktivität beiträgt. In Lithium-Metall-Batterien wird das Graphit durch Lithium-Metall ersetzt, wodurch die Batterie energiedichter wird. Mit Lithiummetall als Anode können auch hochkapazitive Kathodenmaterialien verwendet werden. Dadurch können Batterien mit der drei- bis fünffachen Energiedichte heutiger Batterien entstehen.
• Festkörperbatterien, Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Sauerstoff-Batterien sind drei Beispiele für vielversprechende Batteriekonzepte der nächsten Generation. All dies erfordert Lithiummetall auf der Anodenseite, um der Kapazität der Kathode zu entsprechen und die Energiedichte der Zelle zu maximieren.
• Bislang vermuten die Forscher, dass der Durchbruch für die nächste Batteriegeneration noch etwa zehn Jahre entfernt ist.
• An der Chalmers University of Technology wird in einer Reihe von batteriebezogenen Projekten geforscht, und die Forscher sind an nationalen und internationalen Kooperationen beteiligt, wie dem schwedischen Exzellenzzentrum BASE und dem großen europäischen Projekt 2030+ BIGMAP.

By Chalmers University of Technology Newswise

Ausgewähltes Bild mit freundlicher Genehmigung von MIT.

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• Quelle: https://cleantechnica.com/2023/03/10/3d-battery-imaging-reveals-the-secret-real-time-life-of-lithium-metal-cells/