3D-Tomographien zeigen, wie Lithium-Akkus altern
Die Tomographie einer neuwertigen Lithium-Elektrode.
Nach wenigen Lade- und Entlade-Zyklen sind erste Veränderungen sichtbar.
Nach längerer Betriebsdauer bilden sich Bereiche, die die Leistungsfähigkeit reduzieren und Kurzschlüsse hervorrufen können. © M. Osenberg / I. Manke / HZB
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.
- Magnon-Momentum-Mikroskopie: Neues Fenster in nanoskalige SpinwellenEin internationales Team unter der Leitung des Max-Born-Instituts hat eine neue Art der Momentum-Mikroskopie entwickelt, mit der Magnonen – die Quanten kollektiv angeregter Spins – mithilfe von Weichröntgenstrahlung direkt im zweidimensionalen reziproken Raum abgebildet werden können. Die Messungen fanden an BESSY II und Petra III statt. Erstautor ist der HZB-Physiker Steffen Wittrock. Dank ihrer Empfindlichkeit, Einfachheit und der Möglichkeit, Wellenlängen im Nanometerbereich aufzulösen, bildet diese neuartige Methode eine leistungsstarke und vielseitige Plattform für die Erforschung nichtlinearer Magnonen-Wechselwirkungen, die für zukünftige Rechenkonzepte interessant sind.
- Röntgenlicht belegt Übermalung faschistischer SymboleWährend der NS-Zeit und auch danach war Erich Mercker ein erfolgreicher Maler. Nach 1945 hat er in mindestens einem seiner Werke NS-Symbole übermalt. Dies zeigen Röntgenfluoreszenzanalysen eines Mercker-Gemäldes. Mit einem interdisziplinären Team berichtet die Physikerin Dr. Ioanna Mantouvalou im Nature-Journal Heritage Science über diese Studie.
- KI-Agenten liefern Ergebnisse – aber denken sie auch wissenschaftlich?Ein Forschungsteam unter gemeinsamer Leitung von Kevin Maik Jablonka vom Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen Jena (HIPOLE Jena) und N. M. Anoop Krishnan vom Indian Institute of Technology Delhi hat mit Corral einen neuen Benchmark für KI-Agenten in der Wissenschaft entwickelt. Der Preprint „AI scientists produce results without reasoning scientifically“ ist auf arXiv erschienen (https://doi.org/10.48550/arXiv.2604.18805). Die Analyse zeigt, dass aktuelle Systeme zwar wissenschaftliche Workflows ausführen und Ergebnisse liefern können; häufig folgen sie dabei aber nicht den Grundprinzipien wissenschaftlicher Prüfung und Schlussfolgerung.