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Forschen für die elektrische Welt

Mit Raman-Spektroskopie zu besseren Batterien

| Autor/ Redakteur: Dr. Simon Hugo Schlindwein* / Dr. Ilka Ottleben

Vom Smartphone über den Laptop bis hin zum Auto – etliche Technologien unseres Alltags hängen direkt von der Menge an elektrischer Energie ab, die gespeichert werden kann. Die hochaktuelle Forschung & Entwicklung auf dem Gebiet der Batterieforschung kann enorm von der Raman-Spektroskopie profitieren.

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Abb. 1: Die Lithium-Polymer-Batterie spielte eine entscheidende Rolle für die heutige Allgegenwart mobiler elektronischer Geräte.
Abb. 1: Die Lithium-Polymer-Batterie spielte eine entscheidende Rolle für die heutige Allgegenwart mobiler elektronischer Geräte.
(Bild: ©pickup - stock.adobe.com)

Ein kurzer Blick in die Nachrichten genügt, um zu erkennen, dass die Welt der Energiespeicherung sich im Wandel befindet. Egal ob Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien, ionische Flüssigkeiten oder Superkondensatoren: Fast jede Woche wird ein neuer Durchbruch in der Batterieforschung verkündet. Inzwischen hängt die Alltagstauglichkeit Ihres Smartphones, Ihres Laptops und vielleicht sogar Ihres nächsten Fahrzeugs direkt von der Menge an elektrischer Energie ab, die in einem Akkumulator gespeichert werden kann.

Die Lithium-Polymer (Li-Po)-Batterie ist dabei einer der am häufigsten eingesetzten Batterietypen weltweit. Sie bietet viele Vorteile gegenüber anderen Batterietechnologien und spielte eine entscheidende Rolle für die heutige Allgegenwart mobiler elektronischer Geräte. Neben einer hohen Energiedichte pro Masse liefert sie hohe Spannungen, hat keinen Memory-Effekt und zeichnet sich durch einen sehr gut beherrschbaren Abbauprozess aus.

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Doch noch immer gibt es viel ungenutztes Potenzial bei dieser etablierten Batterietechnik. Genau deshalb werden Li-Po-Batterien optimiert und weiterentwickelt, um den wachsenden Bedarf an elektrischer Energiespeicherung zu decken. Die Untersuchung und das Verständnis der beteiligten chemischen Prozesse liefern dann neue Impulse um bessere Elektrodenmaterialien zu entwickeln, Elektrolyte zu optimieren und die Batterieleistung zu erhöhen.

Raman-Spektroskopie in der Batterieforschung

Die Raman-Spektroskopie (s. LP-Info-Kasten auf Seite 34) bietet für die Forschung und Entwicklung von Batterien einige Vorteile, die im folgenden anhand einiger typischer Raman-Anwendungsfälle in der Batterieforschung erläutert seien:

  • Die klassische Lithium-Ionen-Batterie: Speziell bei der Analyse von Lithium-Batterien liefert die Raman-Spektroskopie eine Fülle von Informationen über die chemischen Prozesse in Batterien sowohl ex- als auch in-situ. [1] Dieser Batterietyp besteht aus einer Graphit-Anode und einer Metalloxid-Kathode. Beide Elektroden sind in der Lage, Lithium-Ionen zu „speichern“, ein Prozess, der als Interkalation bezeichnet wird. Der Ionentransfer zwischen den Elektroden wird über einen Li-Ionen leitfähigen Elektrolyten wie LiPF6 vermittelt, der in einem aprotischen, wasserfreien organischen Lösungsmittel gelöst ist. Während eines Ladevorgangs bewegt sich nun Lithium zur Anode und wird dort gespeichert (interkaliert). [4] Während der Ent­ladung verlassen dann die interkalierten Lithium-Ionen die Kohlenstoffmatrix, werden zur Kathode transportiert und es fließt Strom.
  • Anodenmaterialien: Neben Graphit stehen viele andere kohlenstoffbasierte Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Fokus der modernen Anoden-Forschung. Tatsächlich ist die Raman-Spektroskopie eines der leistungsfähigsten Werkzeuge für die Analyse von Kohlenstoff-Allotropen. [3] Doch auch neben der Identifizierung verschiedener Kohlenstoff-Modifikationen können weitere, tiefgreifendere Strukturinformationen gewonnen werden. Dazu zählt die Analyse von Graphenschichten (auch Monolagen), oder Informationen über Defektkonzentrationen und andere interkalierte Ionen. Solche Parameter können auch in zeitaufgelösten In-situ-Experimenten bestimmt werden, die den Zustand der Anode während Ladung und Entladung der Zelle anzeigen.
  • Kathodenmaterialien: Mit Raman-Mikrospektroskopie lassen sich zudem strukturelle und chemische Veränderungen in Kathodenmaterialien (LiCoO2, Lithiumtitanaten oder Phospho-Olivinen) untersuchen.. Dadurch lässt sich leicht zwischen verschiedenen kristallinen Strukturen wie Anatas und Rutil oder kubischem und hexagonalem LiCoO2 unterscheiden. Außerdem lassen sich Strukturveränderungen erfassen, die durch den Lithium-Insertions-/Deinsertions-Prozess im Wirtsgitter hervorgerufen werden. [1]
  • Elektrolyte: Die Raman-Spektroskopie kann zudem auch für die Analyse von Elektrolyten verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist die Messung der Salzkonzentrationsgradienten eines Elektrolyten in einer Lithium-Batterie. Dies erlaubt Rückschlüsse auf das Vorhandensein umweltschädlicher Spezies oder struktureller Veränderungen des Kathodenmaterials. [4]

Instrumentelles zu den Raman-Messungen

Die Raman-Messungen in den folgenden Beispielen wurden mit einem konfokalen Raman-Mikroskop durchgeführt (Senterra, Bruker, s. Abb. 2). Raman-Mikroskope sind inzwischen hoch automatisiert und erlauben das Ändern von Blenden oder Laserwellenlängen mit einem einfachen Mausklick. Moderne Raman-Mikroskope erfordern zudem keine manuelle Kalibration mehr, sondern sind permanent kalibriert.

Zwei Anregungswellenlängen sind ideal

Idealerweise sollte ein Raman-Mikroskop über zwei Anregungswellenlängen verfügen, wobei 532 nm und 785 nm typisch sind. Möglich sind aber auch Laser kürzerer und längerer Wellenlängen, bis hin zu Messungen mit FT-Raman im NIR-Bereich (1064 nm).

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