BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von Feststoffbatterien

Feststoffbatterien 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.

Feststoffbatterien (SSBs) besitzen eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Batterien, darunter höhere Energie- und Leistungsdichten, sowie eine größere Sicherheit, da sie keine brennbaren flüssigen Elektrolyte enthalten. Da jedoch während des Betriebs Lithiumionen zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode wandern, können Volumenänderungen im Feststoff zu Rissen führen. Um den Kontakt zwischen Elektroden und Elektrolyt aufrechtzuerhalten, müssen SSBs daher unter hohem Druck betrieben werden. Volumenänderungen sowie Degradationsprozesse an den Grenzflächen schränken oft die Lebensdauer dieser Batterien ein. Bislang war es praktisch unmöglich, diese Prozesse experimentell zu beobachten, insbesondere aufgrund des hohen Stapeldrucks, der während des Betriebs erforderlich ist. Dr. Elmar Kataev, Wissenschaftler am HZB, hat nun jedoch eine Probenumgebung entwickelt, die eine operando-Analyse von SSBs unter hohem Druck mittels weicher und harter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) an der SISSY-Endstation bei BESSY II ermöglicht. Diese Bedingungen, bei denen zwei verschiedene Röntgenenergien (harte für die Volumenempfindlichkeit und weiche für die Oberfläche) auf denselben Punkt treffen, sind ausschließlich an der EMIL-Strahlführung verfügbar.

In Zusammenarbeit mit Dr. Katherine Mazzio von der TU Wien ist es dem Team nun erstmals gelungen, zwischen Reaktionen an der Oberfläche und an verborgenen Grenzflächen zu unterscheiden und die Degradationsmechanismen von TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzellen detaillierter zu analysieren. „Wir haben überraschende Erkenntnisse gewonnen, insbesondere hinsichtlich der schädlichen Rolle, die intrinsischer Sauerstoff spielt“, sagt Mazzio. „Wir haben beobachtet, dass während des Zykluszyklus sauerstoffhaltige Spezies in Richtung des Kathodenstromkollektors wandern, wo sie mit dem aktiven Elektrodenmaterial nahe der Grenzfläche zum Stromkollektor reagieren.“ Dies führt zur Bildung einer amorphen Schicht, die reich an Titanoxiden ist. Dies ist eine Hauptursache für den raschen Kapazitätsverlust.

Diese Erkenntnisse sind für die weitere Entwicklung von SSBs äußerst wichtig. Denn das Eindringen von Sauerstoff in die Batteriezellen sollte bereits bei der Herstellung der Ausgangsmaterialien reduziert oder sogar verhindert werden, zum Beispiel durch eine Fertigung unter Inertgasatmosphäre.