Nanopartikel in Lithium-Schwefel-Akkus mit Neutronen aufgespürt
Diese am HZB selbstentwickelte Messzelle ermöglicht es, die Batteriezelle in "operando" zu analysieren. © S. Risse/HZB
Ein HZB-Team hat erstmals mit Hilfe von Neutronenexperimenten präzise analysiert, wie und wo sich Nanopartikel aus Lithiumsulfid und Schwefel im Lauf der Ladezyklen an den Batterie-Elektroden abscheiden. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus zu erhöhen.
Lithium-Schwefel-Akkus gelten als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Energiespeichern. Sie besitzen eine theoretische gravimetrische Energiedichte, die fünfmal höher ist als die der derzeit besten Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Und sie funktionieren sogar bei Minusgraden bis -50 °C. Außerdem ist Schwefel preiswert und umweltfreundlich. Allerdings sinkt bislang mit jedem Lade-Entladezyklus die Kapazität stark ab, sodass solche Batterien noch nicht langlebig sind.
Kapazitätsverlust durch Reaktionsprodukte
Der Kapazitätsverlust wird durch komplizierte Reaktionsprozesse an den Elektroden im Inneren der Batteriezelle verursacht. Daher ist es besonders wichtig, die Abscheidung und das Auflösen des Lade- (Schwefel) und Entladeproduktes (Lithiumsulfid) genau zu verstehen. Während sich Schwefel makroskopisch abscheidet und sich daher mit bildgebenden Verfahren oder Röntgenbeugung sehr gut während des Zyklierens untersuchen lässt, ist Lithiumsulfid aufgrund einer Partikelgröße im sub-10-nm-Bereich nur schwer zu detektieren.
Neutronen zeigen, wo sich die Nanopartikel ablagern
Diesen Einblick liefern nun erstmals Untersuchungen an der Neutronenquelle BER II am HZB. Dr. Sebastian Risse hat mithilfe einer selbst entwickelten Messzelle Lithium-Schwefel-Batterien während der Lade- und Entladezyklen (operando) mit Neutronen durchleuchtet und zeitgleich weitere Messungen (Impedanzspektroskopie) durchgeführt.
Dadurch konnte er mit seinem Team das Auflösen und Abscheiden von Lithiumsulfid während zehn Entlade/Ladezyklen sehr genau analysieren. Da Neutronen stark mit Deuterium (schwerer Wasserstoff) wechselwirken, verwendeten die Forscher in der Batteriezelle ein deuteriertes Elektrolyt, um die beiden festen Produkte Schwefel und Lithiumsulfid sichtbar zu machen.
Überraschendes Ergebnis
Das Fazit der Forscher: „Wir sehen, dass die Lithiumsulfid- oder Schwefelabscheidungen nicht im Inneren der mikroporösen Kohlenstoffelektroden stattfinden, sondern auf der äußeren Oberfläche der Kohlenstofffasern“, sagt Risse. Diese Ergebnisse geben wertvolle Hinweise für die Entwicklung besserer Batterieelektroden.
Die Studie ist publiziert in ACS Nano, (2019): Operando Analysis of a Lithium/Sulfur Battery by Small Angle Neutron Scattering. Sebastian Risse, Eneli Härk, Ben Kent and Matthias Ballauff
DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b03453
- Neues Kontaktmaterial steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenEin neu entwickeltes Material für den Elektronenkontakt verbessert die Wirkungsgrade von Perowskit-Einzelsolarzellen und Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen. Das neue Material basiert auf einem Carboran-Molekül und bietet gegenüber dem bisher genutzten Standardmaterial aus so genannten Fußballmolekülen eine Reihe von Vorteilen, zeigt die Studie, die federführend von einem Team um Steve Albrecht erarbeitet wurde. Inzwischen ist das Material patentiert und kommerziell erhältlich.
- BESSY II: Neue Probenumgebung erlaubt Einblick in thermokatalytische ProzesseEine neuartige Messzelle ermöglicht erstmals Untersuchungen mit weicher und harter Röntgenstrahlung unter hohen Drücken von bis zu 20 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C. Dies liefert neue Erkenntnisse über thermokatalytische Prozesse, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Die Entwicklung der Messzelle gilt als Meilenstein im Rahmen des Care-O-Sene-Projekts.
- Präzise Grenzflächenchemie steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenIm Rahmen einer internationalen Forschungskooperation wurde eine neue molekulare Strategie entwickelt, um eine der Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen zu verbessern. Die daraus resultierenden Solarzellen erreichten in der n-i-p-Architektur einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 26,19 % bei gleichzeitig hoher Betriebsstabilität unter längerer Bestrahlung und erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht.