Nutzerforschung an BESSY II: Graphitelektroden für wiederaufladbare Batterien untersucht
Das während des Ladevorgangs aufgenommene Tomogramm zeigt die ortsaufgelösten Veränderungen der Graphit-Elektrodendicke einer wiederaufladbaren Aluminium-Ionen-Batterie im entladenen und geladenen Zustand.
© HZB
Wiederaufladbare Graphit-Dual-Ionen-Batterien sind preisgünstig und leistungsstark. Ein Team von der Technischen Universität Berlin hat an der EDDI Beamline von BESSY II untersucht, wie sich während des Zyklierens (operando) die Morphologie der Graphit-Elektroden reversibel verändert. Die 3D-Röntgentomographieaufnahmen kombiniert mit simultaner Diffraktion erlauben nun eine präzise Auswertung der Prozesse, insbesondere von Volumenveränderungen der Elektroden. Dies kann dazu beitragen, Graphitelektroden weiter zu optimieren.
Published in Advanced Functional Materials (2020); Simultaneous X‐Ray Diffraction and Tomography Operando Investigation of Aluminum/Graphite Batteries; Giuseppe Antonio Elia, Giorgia Greco, Paul Hans Kamm, Francisco García‐Moreno, Simone Raoux, Robert Hahn
DOI: 10.1002/adfm.202003913
Abstract: Rechargeable graphite dual‐ion batteries are extremely appealing for grid‐level stationary storage of electricity, thanks to the low‐cost and high‐performance metrics, such as high‐power density, energy efficiency, long cycling life, and good energy density. An in‐depth understanding of the anion intercalation mechanism in graphite is fundamental for the design of highly efficient systems. In this work, a comparison is presented between pyrolytic (PG) and natural (NG) graphite as positive electrode materials in rechargeable aluminum batteries, employing an ionic liquid electrolyte. The two systems are characterized by operando synchrotron energy‐dispersive X‐ray diffraction and time‐resolved computed tomography simultaneously, establishing a powerful characterization methodology, which can also be applied more in general to carbon‐based energy‐related materials. A more in‐depth insight into the AlCl4−/graphite intercalation mechanism is obtained, evidencing a mixed‐staged region in the initial phase and a two‐staged region in the second phase. Moreover, strain analysis suggests a correlation between the irreversibility of the PG electrode and the increase of the inhomogenous strain. Finally, the imaging analysis reveals the influence of graphite morphology in the electrode volume expansion upon cycling.
- Poröse organische Struktur verbessert Lithium-Schwefel-BatterienEin neu entwickeltes Material kann die Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich verbessern. Es basiert auf Polymeren, die ein Gerüst mit offenen Poren bilden. In der Fachsprache werden sie radikale kationische kovalente organische Gerüste oder COFs genannt. In den Poren finden katalytisch beschleunigte Reaktionen statt, die Polysulfide einfangen, die ansonsten die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Einige der experimentellen Analysen wurden an der BAMline an BESSY II durchgeführt. Prof. Yan Lu, HZB, und Prof. Arne Thomas, Technische Universität Berlin, haben diese Arbeit gemeinsam vorangetrieben.
- Wie sich Nanokatalysatoren während der Katalyse verändernMit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.
- Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzenMetalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.