Elektroauto-Batterien - Forscher fanden Ursache von Kapazitätsbremse
Die optimale Batterie soll Elektroautos über weite Strecken Antrieb geben. Je mehr Kapazität eine Batterie hat, desto mehr Energie kann sie liefern. In der Praxis unterbieten aber viele Lithium-Ionen-Akkus ihre theoretische Kapazität, also die maximal speicherbare Energiemenge, zum Teil deutlich. Forschende der TU Graz haben bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus den Kapazitätsverlust verortet. Sie verstehen das als Schlüssel zur Kapazitätssteigerung von Batterien.
Batterien für E-Autos besitzen zwei Elektroden, in denen sich beim Laden Ionen sammeln - eine negativ geladene (Kathode) auf der einen und eine positiv geladene auf der anderen Seite. Beim Entladen wandern die Ionen wieder in die jeweils entgegengesetzte Richtung und liefern dabei nutzbaren Strom. Bei Lithium-Ionen-Akkus gilt Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4, LFP) als elektrochemisch und thermisch sehr stabiles Kathodenmaterial: Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Kobalt-Oxid, das als leicht entzündlich gilt, fängt es nicht so schnell Feuer. Zudem gelten die Lithium-Eisenphosphat-Akkus als langlebig. Die Fachwelt rätselt allerdings nach wie vor, warum diese Akkus ihre theoretische Stromspeicherkapazität in der Praxis um bis 25 Prozent unterbieten, also weniger Energie speichern als berechnet.
Schlummernde Reserve entdeckt
Daniel Knez vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz hat sich daher gemeinsam mit Ilie Hanzu (Institut für Chemie und Technologie von Materialien) den Ionenaustausch beim Laden und Entladen ganz genau angeschaut. Die Ergebnisse wurden jüngst im Fachjournal "Advanced Energy Materials" veröffentlicht. Das Team hat den Weg der Lithium-Ionen durch das Batteriematerial mit Transmissionsmikroskopen systematisch verfolgt, um zu erkennen, wo und wie sich die Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen im Batteriematerial einlagern, bzw. wieder herauslösen. Dabei konnten die Forschenden auch die Anordnung im Kristallgitter einer Eisenphosphat-Kathode in bisher beispielloser Auflösung abbilden und auch die Verteilung im Kristall zahlenmäßig erfassen.
"Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass auch bei vollständigem Laden der Testbatteriezellen Lithium-Ionen im Kristallgitter der Kathode zurückbleiben, anstatt zur Anode zu wandern. Diese immobilen Ionen kosten Kapazität", erklärte Knez. Es habe sich gezeigt, dass die immobilen Lithium-Ionen ungleichmäßig in der Kathode verteilt sind.
Die Forschenden konnten die verschieden stark mit Lithium angereicherten Bereiche in der negativ geladenen Elektrode (Kathode) genau bestimmen und bis auf wenige Nanometer voneinander abzugrenzen. In den Übergangsbereichen haben sie Verzerrungen und Verformungen im Kristallgitter der Kathode gefunden. "Diese Details liefern wichtige Hinweise auf physikalische Effekte, die der Batterieeffizienz bisher entgegenwirken und die wir bei der Weiterentwicklung der Materialien berücksichtigen können", zeigte sich Hanzu erfreut.
Methoden auch auf andere Batteriematerialien übertragbar
Für ihr Projekt hat das Team Materialproben aus den Elektroden ge- und entladener Akkus herauspräpariert und u. a. am Austrian Scanning Transmission Electron Microscope (ASTEM) in Graz untersucht. Dabei wurde Elektronenenergieverlustspektroskopie mit Messungen zur Elektronenbeugung und Bildgebung auf atomarer Ebene kombiniert: "Durch die Kombination verschiedener Untersuchungsmethoden konnten wir bestimmen, wo das Lithium in den Kristallkanälen positioniert ist und auf welchen Wegen es dort hingelangt", erläutert Nikola Šimić, Erstautor des Papers vom Grazer Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik. "Die von uns entwickelten Methoden und die gewonnenen Erkenntnisse zur Ionendiffusion lassen sich mit nur geringen Anpassungen auch auf andere Batteriematerialien übertragen, um sie noch präziser zu charakterisieren und weiterzuentwickeln", zeigte sich der Forscher überzeugt.
Service: N. Simic, A. Jodlbauer, M. Oberaigner, D. Knez, I. Hanzu et al.: Phase Transitions and Ion Transport in Lithium Iron Phosphate by Atomic-Scale Analysis to Elucidate Insertion and Extraction Processes in Li-Ion Batteries, Advanced Energy Materials; 2024, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202304381)