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
- Sauberer Brennstoff zum Kochen für das südliche Afrika hat große WirkungDas Verbrennen von Biomasse beim Kochen belastet Gesundheit und Umwelt. Die deutsch-südafrikanische Initiative GreenQUEST entwickelt einen sauberen Haushaltsbrennstoff. Er soll klimaschädliche CO2-Emissionen reduzieren und den Zugang zu Energie für Haushalte in afrikanischen Ländern südlich der Sahara verbessern.
- Einfachere Herstellung von anorganischen Perowskit-Solarzellen bringt VorteileAnorganische Perowskit-Solarzellen aus CsPbI3 sind langzeitstabil und erreichen gute Wirkungsgrade. Ein Team um Prof. Antonio Abate hat nun an BESSY II Oberflächen und Grenzflächen von CsPbI3 -Schichten analysiert, die unter unterschiedlichen Bedingungen produziert wurden. Die Ergebnisse belegen, dass das Ausglühen in Umgebungsluft die optoelektronischen Eigenschaften des Halbleiterfilms nicht negativ beeinflusst, sondern sogar zu weniger Defekten führt. Dies könnte die Massenanfertigung von anorganischen Perowskit-Solarzellen weiter vereinfachen.
- Spintronik: Ein neuer Weg zu wirbelnden Spin-Texturen bei RaumtemperaturEin Team am HZB hat an BESSY II eine neue, einfache Methode untersucht, mit der sich stabile radiale magnetische Wirbel in magnetischen Dünnschichten erzeugen lassen.