Tomographie zeigt hohes Potenzial von Kupfersulfid-Feststoffbatterien
3D Rekonstruktion der Bildung eines Kupferkristallits in einem Kupfersulfidpartikel (CuS) während der Entladung einer Lithium-CuS-Feststoffbatterie. Die Volumenausdehnung kann dabei zur Bildung von Rissen (blau) führen. © K. Dong / HZB
Feststoffbatterien ermöglichen noch höhere Energiedichten als Lithium-Ionenbatterien bei hoher Sicherheit. Einem Team um Prof. Philipp Adelhelm und Dr. Ingo Manke ist es gelungen, eine Feststoffbatterie während des Ladens und Entladens zu beobachten und hochaufgelöste 3D-Bilder zu erstellen. Dabei zeigte sich, dass sich Rissbildung durch höheren Druck effektiv verringern lässt.
Feststoffbatterien (solid-state batteries, SSBs) gelten als aussichtsreiche Batterietechnologie der Zukunft. Gegenüber den aktuellen Lithiumionenbatterien, die in Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, versprechen SSBs noch höhere Energiedichten und vor allem auch eine bessere Sicherheit. Denn die leicht brennbaren, flüssigen Elektrolyte von Lithiumionenbatterien werden hier durch einen Feststoff ersetzt, so dass die gesamte Batterie nur aus „festen Materialien“ besteht. Um eine solche Batterie herzustellen, müssen Anode, Kathode und Elektrolyt unter hohem Druck miteinander verpresst werden.
Einer Gruppe aus den Helmholtz-Zentren Berlin (HZB) und Hereon, der Humboldt-Universität zu Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung ist es nun gelungen, die Prozesse innerhalb einer solchen Feststoffbatterie während des Ladens und Entladens zu beobachten. Die Arbeitsgruppen von Prof. Philipp Adelhelm und Dr. Ingo Manke untersuchten das Verhalten von Kupfersulfid, einem natürlich vorkommenden Mineral, als Kathode in einer Feststoffbatterie. Als Anode wurde Lithium eingesetzt. Eine Besonderheit der Batterie ist, dass sich während der Entladung große Kupferkristallite bilden. Mit Hilfe von Röntgentomographie ließ sich diese Bildung der Kristallite eingehend untersuchen. So konnte die Entlade- und Ladereaktion in 3D nachvollzogen und zum ersten Mal die Bewegung der Kathodenpartikel innerhalb der Batterie verfolgt werden. Zudem zeigte sich, dass sich Rissbildung durch höheren Druck effektiv verringern lässt. „Für die aufwendigen Messungen mussten wir einige Kompromisse eingehen und viele Referenzexperimente durchführen“ erklären Dr. Zhenggang Zhang und Dr. Kang Dong, die gemeinsamen Erstautoren der Publikation. „Die Ergebnisse geben aber detaillierte Einblicke in das Innenleben einer Feststoffbatterie und zeigen, wie sich deren Eigenschaften verbessern lassen“.
Hinweis:
Das Projekt wurde gefördert durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (Projekte NASEBER und KAROFEST) und des China Scholarship Council. Am Helmholtz-Zentrum Berlin wird die Erforschung von Feststoffbatterien mittels Tomographie demnächst noch weiter ausgebaut. So fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung den Aufbau eines neuen Tomographielabors (TomoFestBattLab) mit 1,86 Millionen Euro.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.