Batterieforschung Lithium unter dem Mikroskop: Grundlagenforschung für leistungsfähigere Batterien

Eine Kombination mikroskopischer Verfahren rückt leistungsfähigere Batteriematerialien in greifbare Nähe. Einer mittelhessische Forschungsgruppe gelang es, zu zeigen, wie die Verbindung Lithium-Nickel-Oxid auf-gebaut ist – eine Voraussetzung dafür, das Material erfolgreich in Lithium-Ionen-Batterien einzusetzen.

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Marburg – Keine Energiewende ohne Energiespeicherung – umweltschonende Technologien erfordern leistungsfähige Batterien. Lithium-Ionen-Batterien haben sich seit Anfang der 1990er Jahre als führende Technologie für die Speicherung elektrochemischer Energie durchgesetzt. Ihre Herstellung ließe sich verbilligen, wenn man das preiswerte Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO₂) für die Kathode verwenden könnte, also für den Pluspol. Das Material erleidet jedoch beim Laden und Entladen Schaden wegen des hohen Nickelgehalts, vor allem an der Oberfläche. Wie der Gießener Chemiker Professor Dr. Jürgen Janek erklärt, behindert dies den kommerziellen Einsatz von Lithium-Nickel-Oxid seit langer Zeit.

Worauf diese Materialumwandlung beruht, ist in den mechanistischen Details bisher unklar – der Grund: Es gab bisher keine experimentelle Methode, um die Anordnung aller einzelnen Atome in Lithium-Nickel-Oxid sichtbar zu machen. „Insbesondere fehlen experimentelle Ergebnisse an Materialien, wie sie tatsächlich in einer Batterie verwendet werden könnten“, erklärt die Marburger Physikerin Professorin Dr. Kerstin Volz, die Seniorautorin der Studie.

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Um diese Forschungslücke zu füllen, taten sich die Arbeitsgruppen von Volz und Janek zusammen. Das Team nutzte eine Kombination mehrerer Verfahren der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM). Mit diesem Ansatz ist es der Gruppe gelungen, die Anordnung der Elemente Atom für Atom abzubilden. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre Resultate helfen, neue Materialien mit verbesserter Stabilität zu entwickeln.

Originalpublikation: Shamail Ahmed, Matteo Bianchini, Anuj Pokle & al.: Visualization of Light Elements using 4D STEM: The Layered-to-Rock Salt Phase Transition in LiNiO2 Cathode Material, Advanced Energy Materials 2020, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202001026

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