Kapazitätsverlust der Lithium-Eisenphosphat-Kathode Leistungslücke bei Lithium-Akkus: das Kristallgitter ist Schuld

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Von wegen „Volle Kraft voraus“: Akkus unterbieten ihre theoretische Kapazität zum Teil um 25 Prozent. Nun hat ein Forscherteam aus Graz die schlummernden Reserven von Lithium-Ionen-Akkus aufgespürt. Der Schlüssel zu mehr Leitung liegt im Kristallgitter.

Egal ob E-Autos, stationäre Stromspeicher oder mobile Werkzeuge – sie alle brauchen Batterien. Eines der wichtigstes Batteriematerial ist Lithium-Eisenphosphat, weil es sowohl langlebig als auch vergleichsweise günstig ist und nicht zur Selbstentzündung neigt.

Auch für die Energiedichte sind dank Forschungsfortschritten immer bessere Werte zu erzielen. Allerdings rätselt die Fachwelt nach wie vor, warum Lithium-Eisenphosphat-Akkus ihre theoretische Stromspeicherkapazität in der Praxis um bis 25 Prozent unterbieten. Um diese schlummernde Kapazitätsreserve zu nutzen, wäre die genaue Kenntnis darüber entscheidend, wo und wie sich Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen im Batteriematerial einlagern und wieder herauslösen.

Neues Spektroskopie-Großgerät am KIT

Was passiert in Lithium-Ionen-Akkus?

Forschenden der TU Graz ist nun ein wesentlicher Schritt zur Enträtselung der Kapazitätslücke gelungen: Bei Untersuchungen mit Transmissionselektronenmikroskopen konnten sie die Lithium-Ionen auf ihrem Weg durch das Batteriematerial systematisch verfolgen, ihre Anordnung im Kristallgitter einer Eisenphosphat-Kathode mit noch nie dagewesener Auflösung abbilden und ihre Verteilung im Kristall genau quantifizieren. „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“, sagt Daniel Knez vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz. Die immobilen Lithium-Ionen sind ungleichmäßig in der Kathode verteilt.

Verzerrte Kristallgitter schmälern die Batterieeffizienz

Den Forschenden ist es gelungen, die unterschiedlich stark mit Lithium angereicherten Bereiche genau zu bestimmen und bis auf wenige Nanometer voneinander abzugrenzen. In den Übergangsbereichen fanden sich Verzerrungen und Verformungen im Kristallgitter der Kathode. „Diese Details liefern wichtige Hinweise auf physikalische Effekte, die der Batterieeffizienz bislang entgegenwirken und die wir bei der Weiterentwicklung der Materialien berücksichtigen können“, sagt Ilie Hanzu vom Institut für Chemie und Technologie von Materialien, der an der Untersuchung eng beteiligt war.

Gezielte Weiterentwicklung, auch von verschiedenen Batteriematerialien

Für ihre Untersuchungen haben die Forschenden Materialproben aus den Elektroden ge- und entladener Akkus herauspräpariert und unter anderem am atomar auflösenden ASTEM-Mikroskop der TU Graz untersucht. Dabei kombinierten sie Elektronenenergieverlustspektroskopie mit Messungen zur Elektronenbeugung und Bildgebung auf atomarer Ebene. „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 vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik und Erstautor des Papers zu den Versuchsergebnissen. „Die von uns entwickelten Methoden und die gewonnen Erkenntnisse zur Ionendiffusion lassen sich mit nur geringen Anpassungen auch auf andere Batteriematerialien übertragen, um sie noch präziser zu charakterisieren und weiterzuentwickeln.“

Originalpublikation: Nikola Šimić, Anna Jodlbauer, Michael Oberaigner, Manfred Nachtnebel, Stefan Mitsche, H. Martin R. Wilkening, Gerald Kothleitner, Werner Grogger, Daniel Knez, Ilie Hanzu: 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, 2304381; DOI: 10.1002/aenm.202304381

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