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Abscheide-Prozesse an Elektroden verfolgen Was beim Laden in einer Batterie passiert

| Redakteur: Christian Lüttmann

Lithium-Akkus sind kompakte Energiespeicher für unterwegs. Doch obwohl sie in nahezu jedem Smartphone verbaut sind, versteht man noch nicht alle Prozesse vollständig, die beim Laden und Entladen ablaufen. Nun hat ein Forscherteam aus Oldenburg ein Verfahren entwickelt, um beim Betrieb der Batterie Veränderungen an der Elektrodenoberfläche zu verfolgen. Mithilfe der so gewonnenen Daten sollen Batterien weiter verbessert werden.

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Das Laden von Lithiumakkus ist ein komplexer chemischer Vorgang. Indem man die ablaufenden Prozesse besser versteht, können länger haltende Akkus entwickelt werden. (Symbolbild).
Das Laden von Lithiumakkus ist ein komplexer chemischer Vorgang. Indem man die ablaufenden Prozesse besser versteht, können länger haltende Akkus entwickelt werden. (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, Daniel Korpai / Unsplash)

Oldenburg – Was passiert in einer Batterie auf mikroskopischer Ebene während des Ladens und Entladens? Um diese kaum zugänglichen Vorgänge live zu untersuchen, hat ein Wissenschaftlerteam um Prof. Dr. Gunther Wittstock vom Institut für Chemie der Universität Oldenburg ein neues Verfahren entwickelt. Die Methode könne Wittstock zufolge dazu beitragen, schneller geeignete Materialien für neuartige Batterien zu finden. Langfristig sollen sich damit umweltfreundlichere Energiespeicher mit längerer Lebensdauer und höherer Leistungsdichte entwickeln lassen.

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Lithium-Anoden und ihre hauchdünnen Schutzschichten

Batterien wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Dabei wandern geladene Teilchen von einer positiv geladenen Elektrode, der Kathode, zur negativen Anode. In vielen modernen Batterien und wiederaufladbaren Akkus ist das reaktionsfreudige Metall Lithium ein wichtiger Bestandteil der Anode. Auf deren Oberfläche bilden sich während des Betriebs hauchdünne Filme, die sowohl Elektrode als auch Batterieflüssigkeit vor Zersetzung schützen. Bislang war es jedoch kaum möglich, Veränderungen der wenige Mikrometer dicken, komplex aufgebauten Schichten während des Ladens und Entladens direkt zu beobachten.

Mit ihrer Technik erhalten die Forscher örtlich hochauflösende Informationen über die Oberfläche metallischer Lithium-Elektroden, die zentraler Bestandteil der weit verbreiteten Lithium-Akkus sind. „Mit fortlaufender Zeit können chemische Prozesse auf der Oberfläche der Elektrode einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit einer Batterie haben“, sagt Wittstock. Als Analyseverfahren verwendeten die Forscher die elektrochemische Rastermikroskopie (englisch: scanning electrochemical microscopy, kurz: SECM). Dabei wird eine Messsonde schrittweise über die Oberfläche einer Probe bewegt, um chemische Informationen im Abstand von wenigen Mikrometern zu sammeln. Eine Software übersetzt die Messdaten in ein farbiges Bild. „Indem wir diesen Vorgang mehrmals wiederholen, können wir Veränderungen auf der Probenoberfläche wie in einem Daumenkino verfolgen“, beschreibt Wittstock.

Zerstörerisches Geäst auf Elektroden

Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, die Prozesse auf der Lithium-Anode mit bislang unerreichter Genauigkeit zu untersuchen. Sie beobachteten, wie sich dort bei hohen Ladegeschwindigkeiten Lithium aus der Batterieflüssigkeit absetzte. Aus solchen lokal verstärkten Abscheidungen können sich so genannte Dendrite bilden – sich verzweigende Fortsätze aus Lithium auf der Elektrode. Diese Gebilde begrenzen die Lebensdauer von Batterien und können im Extremfall zu ihrer Zerstörung führen.

In einer selbst entwickelten Messzelle untersuchte das Team Lithium-Elektroden mit der elektrochemischen Rastermikroskopie.
In einer selbst entwickelten Messzelle untersuchte das Team Lithium-Elektroden mit der elektrochemischen Rastermikroskopie.
(Bild: Bastian Krueger)

„Der Durchbruch unserer Studie besteht darin, dass wir erstmals derartige Prozesse bei realistischen Stromdichten direkt in der Messapparatur ausführen und ihre Auswirkungen bildlich verfolgen konnten“, sagt Wittstock. Das Verfahren sei auch für andere Typen von Elektroden geeignet. Langfristiges Ziel sei es, mithilfe der elektrochemischen Rastermikroskopie zu untersuchen, wie unterschiedliche Vorbehandlungsschritte das Wachstum der Grenzschicht auf den Elektroden beeinflussen.

Originalpublikation: Bastian Krueger, Luis Balboa, Jan Frederik Dohmann, Martin Winter, Peter Bieker, Gunther Wittstock: Solid Electrolyte Interphase Evolution on Lithium Metal Electrodes Followed by Scanning Electrochemical Microscopy Under Realistic Battery Cycling Current Densities, ChemElectroChem, Doi:10.1002/celc.202000441

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