Eine Technik zur Steuerung der Entwicklung schnellerer und langlebigerer Batterien der nächsten Generation

Saubere und effiziente Energiespeichertechnologien sind für den Aufbau einer Infrastruktur für erneuerbare Energien von entscheidender Bedeutung.Lithium-Ionen-Batterien dominieren bereits in persönlichen elektronischen Geräten und sind vielversprechende Kandidaten für zuverlässige Netzspeicherung und Elektrofahrzeuge.Allerdings sind weitere Entwicklungen erforderlich, um die Laderaten und die Nutzungsdauer zu verbessern.

Um die Entwicklung solcher schneller aufladbaren und langlebigeren Batterien zu unterstützen, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, die Prozesse zu verstehen, die in einer funktionierenden Batterie ablaufen, um die Einschränkungen der Batterieleistung zu erkennen.Derzeit erfordert die Visualisierung der aktiven Batteriematerialien während ihrer Arbeit hochentwickelte Synchrotron-Röntgen- oder Elektronenmikroskopietechniken, die schwierig und teuer sein können und oft nicht schnell genug abgebildet werden können, um die schnellen Veränderungen zu erfassen, die in schnell aufladbaren Elektrodenmaterialien auftreten.Infolgedessen bleibt die Ionendynamik auf der Längenskala einzelner aktiver Partikel und bei kommerziell relevanten Schnellladeraten weitgehend unerforscht.

Forscher der Universität Cambridge haben dieses Problem gelöst, indem sie eine kostengünstige laborbasierte optische Mikroskopietechnik zur Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt haben.Sie untersuchten einzelne Partikel von Nb14W3O44, einem der bislang am schnellsten aufladbaren Anodenmaterialien.Durch ein kleines Glasfenster wird sichtbares Licht in die Batterie geleitet, sodass die Forscher den dynamischen Prozess innerhalb der aktiven Partikel in Echtzeit unter realistischen Nichtgleichgewichtsbedingungen beobachten können.Dabei wurden frontartige Lithiumkonzentrationsgradienten sichtbar, die sich durch die einzelnen aktiven Partikel bewegten, was zu einer inneren Spannung führte, die zum Bruch einiger Partikel führte.Der Bruch von Partikeln ist ein Problem für Batterien, da er zur elektrischen Trennung der Fragmente führen kann, wodurch die Speicherkapazität der Batterie verringert wird.„Solche spontanen Ereignisse haben schwerwiegende Auswirkungen auf die Batterie, konnten aber bisher noch nie in Echtzeit beobachtet werden“, sagt Co-Autor Dr. Christoph Schnedermann vom Cavendish Laboratory in Cambridge.

Die Hochdurchsatzfähigkeiten der optischen Mikroskopietechnik ermöglichten es den Forschern, eine große Partikelpopulation zu analysieren und zeigten, dass Partikelrisse häufiger bei höheren Delithiierungsraten und bei längeren Partikeln auftreten.„Diese Ergebnisse liefern direkt anwendbare Designprinzipien, um Partikelbruch und Kapazitätsschwund in dieser Materialklasse zu reduzieren“, sagt Erstautorin Alice Merryweather, Doktorandin am Cavendish Laboratory and Chemistry Department in Cambridge.

In Zukunft werden die Hauptvorteile der Methodik – einschließlich der schnellen Datenerfassung, der Einzelpartikelauflösung und der hohen Durchsatzfähigkeiten – eine weitere Erforschung dessen ermöglichen, was passiert, wenn Batterien ausfallen, und wie man dies verhindern kann.Mit der Technik lassen sich nahezu alle Arten von Batteriematerialien untersuchen, was sie zu einem wichtigen Puzzleteil bei der Entwicklung von Batterien der nächsten Generation macht.