Innovative Batterie-Elektrode aus Zinn-Schaum
Zinn lässt sich zu einem hochporösen Schaum verarbeiten. Wie dieser Zinn-Schaum (abgebildet) sich als Batterieelektrode verhält, hat ein interdisziplinäres Team am HZB untersucht. © B. Bouabadi / HZB
Metallbasierte Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus versprechen deutlich höhere Kapazitäten als konventionelle Graphit-Elektroden. Leider degradieren sie aufgrund von mechanischen Beanspruchungen während der Lade- und Entladezyklen. Nun zeigt ein Team am HZB, dass ein hochporöser Schaum aus Zinn den mechanischen Stress während der Ladezyklen deutlich besser abfedern kann. Das macht Zinn-Schäume als potentielles Material für Lithium-Batterien interessant.
Moderne Lithium-Ionen-Batterien setzen in der Regel auf eine mehrschichtige Graphit-Elektrode, während die Gegenelektrode oft aus Kobaltoxid besteht. Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen in das Graphit ein, ohne signifikante Volumenänderungen des Materials zu verursachen. Die Kapazität von Graphit ist jedoch begrenzt, die Suche nach alternativen Materialien wird dadurch zu einem spannenden Forschungsgebiet. So bieten Metallbasierte Elektroden, beispielsweise aus Aluminium oder Zinn, potenziell eine höhere Kapazität. Allerdings neigen sie bei der Lithiumaufnahme zu einer deutlichen Volumenausdehnung, was mit Strukturveränderungen und Materialermüdung verbunden ist.
Eine Option, um Metall-Elektroden zu realisieren, die weniger rasch „ermüden“, besteht in der Nanostrukturierung der dünnen Metallfolien. Eine andere Option ist die Anwendung von porösen Metallschäumen. Als Metall ist Zinn besonders attraktiv, denn es besitzt eine fast dreimal höhere Kapazität pro Kilogramm als Graphit und ist darüber hinaus kein seltener Rohstoff sondern reichlich vorhanden.
Ein Forschungsteam aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat nun verschiedene Arten von Zinnelektroden während des Entlade- und Ladevorgangs mit operando Röntgenbildgebung untersucht, und einen innovativen Ansatz entwickelt, um diesem Problem zu begegnen. Ein Teil dieser Untersuchungen fand dabei an der BAMline an BESSY II statt. Außerdem entstanden hochaufgelöste radioskopische-Röntgen-Aufnahmen in Zusammenarbeit mit den Imaging-Experten Dr. Nikolai Kardjilov und Dr. André Hilger am HZB. „Auf diese Weise konnten wir die strukturellen Veränderungen in den untersuchten Elektroden auf Sn-Metallbasis während der Lade-/Entladevorgänge verfolgen“, sagt Dr. Bouchra Bouabadi, die die experimentelle Studie durchgeführt hat. In Zusammenarbeit mit dem Batterieexperten Dr. Sebastian Risse zeigt sie, wie sich die Morphologie der Zinnelektroden während des Betriebs durch die inhomogene Aufnahme von Lithium-Ionen verändert.
Die beste Variante der Zinn-Elektrode fertigte Dr. Francisco Garcia-Moreno an: Einen Schaum aus Zinn mit unzähligen, mikrometergroßen Poren. „Wir konnten zeigen, dass in einem solchen Zinn-Schaum deutlich weniger mechanischer Stress während der Volumenausdehnung auftritt“, sagt Dr. Risse. Das macht Zinn-Schäume als potentielles Material für Lithium-Batterien interessant.
Garcia-Moreno hat bereits zahlreiche Metallschäume untersucht, darunter auch solche für Bauteile in der Automobilindustrie und Aluminiumschäume für Batterieelektroden. „Die von uns an der TU Berlin entwickelten Zinnschäume sind hochporös und eine interessante Alternative zu traditionellen Elektrodenmaterialien“, sagt er. Dabei sei die Strukturierung von Zinnschäumen entscheidend, um mechanische Belastung maximal zu reduzieren. Auch aus wirtschaftlicher Sicht könnte die Zinn-Schaum-Technologie interessant sein: „Obwohl Zinnschaum teurer ist als herkömmliche Zinnfolien, bietet er eine kostengünstigere Alternative zu teuren Nanostrukturierungen, während er gleichzeitig deutlich mehr Lithium-Ionen speichern kann und damit eine Steigerung der Kapazität ermöglicht.“
- 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.
- 83 Schülerinnen beim Girls'Day am HZBAm 23. April 2026 fand der jährliche Girl's Day statt, bei dem Schülerinnen Einblicke in verschiedene Berufe im Bereich der Naturwissenschaften, Technik und IT erhielten. 83 Schülerinnen besuchten die HZB-Standorte Adlershof und Wannsee und erlebten einen Tag voller spannender Experimente.