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
- Gute Aussichten für Zinn-Perowskit-SolarzellenPerowskit-Solarzellen gelten weithin als die Photovoltaik-Technologie der nächsten Generation. Allerdings sind Perowskit-Halbleiter langfristig noch nicht stabil genug für den breiten kommerziellen Einsatz. Ein Grund dafür sind wandernde Ionen, die mit der Zeit dazu führen, dass das Halbleitermaterial degradiert. Ein Team des HZB und der Universität Potsdam hat nun die Ionendichte in vier verschiedenen Perowskit-Halbleitern untersucht und dabei erhebliche Unterschiede festgestellt. Eine besonders geringe Ionendichte wiesen Zinn-Perowskit-Halbleiter auf, die mit einem alternativen Lösungsmittel hergestellt wurden – hier betrug die Ionendichte nur ein Zehntel im Vergleich zu Blei-Perowskit-Halbleitern. Damit könnten Perowskite auf Zinnbasis ein besonders großes Potenzial zur Herstellung von umweltfreundlichen und besonders stabilen Solarzellen besitzen.
- Synchrotron-strahlungsquellen: Werkzeugkästen für QuantentechnologienSynchrotronstrahlungsquellen erzeugen hochbrillante Lichtpulse, von Infrarot bis zu harter Röntgenstrahlung, mit denen sich tiefe Einblicke in komplexe Materialien gewinnen lassen. Ein internationales Team hat nun im Fachjournal Advanced Functional Materials einen Überblick über Synchrotronmethoden für die Weiterentwicklung von Quantentechnologien veröffentlicht: Anhand konkreter Beispiele zeigen sie, wie diese einzigartigen Werkzeuge dazu beitragen können, das Potenzial von Quantentechnologien wie z. B. Quantencomputing zu erschließen, Produktionsbarrieren zu überwinden und den Weg für zukünftige Durchbrüche zu ebnen.
- Gemeinsames Energie- und Klimalabor in Kyjiw nimmt Betrieb aufDas Helmholtz-Zentrum Berlin und die Nationale Universität Kyjiw-Mohyla-Akademie haben am 27. November ein gemeinsames Energie- und Klimalabor gegründet.