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Schweizer Forscher röntgen Feststoffbatterien

16.08.2019

Noch sind Lithium-Ionen-Batterien praktisch konkurrenzlos. Es wird jedoch an Alternativen geforscht: Feststoffbatterien hätten viele Vorteile. Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz haben nun mit Röntgentomografie mechanische Prozesse in diesen Batterien beobachtet. Das kann bei ihrer Optimierung helfen.

Die Bilder explodierter Smartphones dürften viele Handybesitzer nervös gemacht haben. Der flüssige Elektrolyt in Lithium-Ionen-Akkus ist brennbar und kann bei Überhitzung Feuer fangen. Anders liegt der Fall bei Feststoffbatterien. Wie der Name sagt, beruhen diese Stromspeicher auf festen Elektrolyten, was sie sicherer macht. Sie halten höhere Spannungen und Betriebstemperaturen aus und lassen sich deshalb schneller auf- und entladen. Zudem können sie mehr Energie pro Gewichtseinheit speichern, was vor allem für die Batterien für Elektroautos interessant wäre.

Feststoffbatterien noch in Entwicklungsphase

Noch sind solche Feststoffbatterien allerdings in der Entwicklung. Einen wichtigen Schritt für ihre Optimierung haben Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) gemacht. Mithilfe von Röntgentomografie haben sie untersucht, wie sich Risse im Material dieser Stromspeicher beim Aufladen ausbreiten. So detailliert sei dies bisher nie gelungen, schrieb das Forschungsinstitut in einer Mitteilung. Die Erkenntnisse können helfen, diesen Batterietyp weiter zu optimieren.

Der Elektrolyt der untersuchten Feststoffbatterie besteht laut PSI aus einem Lithium- und Phosphor-Sulfid. Darin sind rund 30 Mikrometer kleine Zinnkugeln eingebettet. Beim Aufladen der Batterie wandern Lithium-Ionen in die Gitterstruktur des Zinns ein. Dadurch wachsen die Kügelchen und zerreißen das umliegende Elektrolytmaterial.

Die Risse behindern jedoch die Bewegung der Lithium-Ionen durch den Elektrolyten. Das schmälert die Leistungsfähigkeit der Batterie. Wie stark sich die Zinnkugeln ausdehnen und wie sich diese Risse genau ausbreiten, haben Wissenschafter um Xiaohan Wu vom PSI in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Autohersteller Toyota beobachtet. Von der Ergebnissen berichteten sie im Fachblatt "Advanced Energy Material".

Elektrolyt "heilt sich selbst"

Demnach wachsen die Kügelchen um rund 300 Prozent. Zudem breiten sich die Risse so aus, dass sie den Weg der Ionen genau kreuzen. Dies hätten die Forscher nicht erwartet, sagte Wu. Eine weitere spannende Erkenntnis: Beim Entladen heilt sich der Elektrolyt quasi selbst: Wenn die Lithium-Ionen die Zinnkugeln wieder verlassen, schließen sich die Risse im Elektrolyt.

Um die Feststoffbatterie zu röntgen, nutzten die Wissenschafter die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI sowie eine Methode namens "Operando Röntgentomografischen Mikroskopie". "Die Methode funktioniert prinzipiell wie eine Computertomografie in einem Spital, jedoch ist beim Synchrotron am PSI der Photonenfluss um einige Größenordnungen höher", erklärte Federica Marone vom PSI. Dadurch ließe sich die nötige räumliche und zeitliche Auflösung erreichen, um die Prozesse während des Batteriebetriebs zu beobachten. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher mit dieser Methode nach Elektrolytmaterialien suchen, die weniger stark anfällig für Risse und damit leistungsfähiger sind.

Service: Fachartikel: https://doi.org/10.1002/aenm.201901547

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