3D-Tomographien zeigen, wie Lithium-Akkus altern

Lithium-Akkus verlieren mit der Zeit an Kapazität. Bei jeder neuen Aufladung können sich Mikrostrukturen an den Elektroden bilden, die die Kapazität weiter reduzieren. Nun hat ein HZB-Team zusammen mit Batterieforschern aus dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Münster und Partnern aus Forschungseinrichtungen in China den Prozess der Degradation von Lithium-Elektroden erstmals im Detail dokumentiert. Dies gelang ihnen mithilfe eines 3D-Tomographieverfahrens mit Synchrotronstrahlung an BESSY II (HZB) sowie am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht (Open Access).

Ob in der Elektromobilität, in der Robotik oder der IT – Lithium-Akkus werden einfach überall eingesetzt. Trotz jahrzehntelanger Optimierung lässt sich bisher jedoch nicht verhindern, dass solche Akkus „altern“. Mit jedem Ladungszyklus geht Kapazität verloren. Grob sind die Prozesse bekannt, die dazu führen. Doch erst jetzt hat ein internationales Team unter Federführung von HZB-Forschern um Dr. Ingo Manke mit mikroskopischer Genauigkeit beobachtet, was im Inneren des Akkus an den Grenzflächen zwischen den Elektroden genau geschieht, wenn die Lithium-Ionen wandern.

Lithium-Zellen beim Aufladen und Entladen untersucht

Manke ist Experte für 3D-Tomographie mit Synchrotronstrahlung, einem besonders intensiven Röntgenlicht. Mit dieser zerstörungsfreien, bildgebenden Methode lassen sich 3D-Abbildungen aus dem Inneren von Proben erstellen. An BESSY II steht diese Methode mit besonders hoher Präzision an der Beamline der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) zur Verfügung. Mankes Team untersuchte eine Reihe von unterschiedlichen Lithium-Zellen während der Aufladung und Entladung (operando = während des Betriebs) unter verschiedenen Zyklusbedingungen. Bei allen untersuchten Zellen bestand eine Elektrodenseite aus reinem Lithium, während die andere Seite je nach Wahl aus unterschiedlichen Elektroden-Materialien bestand. Ein Teil der Untersuchung fand dabei auch am Helmholtz-Zentrum Geesthacht statt.

Bildung von MIkrostrukturen

Die Tomographien zeigen, wie sich bereits nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen eine Schicht aus Mikrostrukturen zwischen der Separatorschicht und der Lithium-Elektrode bildet. Diese Mikrostrukturen bestehen aus Reaktionsverbindungen, die sich im Elektrolyten bilden. Sie können unterschiedliche Gestalt annehmen, von einem eher ungeordneten Schlamm über moosartige Strukturen bis hin zu nadelförmigen Dendriten, die sogar gefährliche Kurzschlüsse im Akku verursachen können.

„Damit haben wir erstmals ein vollständiges Bild des Degradationsmechanismus in Lithium-Elektroden“, sagt Ingo Manke. Dies ist nicht nur für das grundlegende Verständnis von Alterungsprozessen in Batterien interessant, sondern liefert insbesondere auch wertvolle Hinweise für das Design von langlebigeren Batterien.