Röntgen-Tomografie enthüllt Echtzeit-Lade-Entlade-Dynamik in Festkörperbatterien

Heute weit verbreitete Lithium-Ionen-Batterien – von Mobilgeräten bis zu Elektrofahrzeugen – nutzen einen flüssigen Elektrolyten, um Ionen während Lade- und Entladezyklen zwischen den Elektroden hin und her zu transportieren. Der flüssige Elektrolyt benetzt die Elektroden gleichmäßig und ermöglicht freie Ionenbewegung.

Herausforderung Festkörperbatterien

Sich rasant entwickelnde Festkörperbatterietechnologie nutzt stattdessen einen festen Elektrolyten, was die Energiedichte erhöhen und die Sicherheit künftiger Batterien verbessern sollte. Doch die Entnahme von Lithium aus den Elektroden kann Hohlräume an den Grenzflächen erzeugen, die Zuverlässigkeitsprobleme verursachen und die Betriebsdauer der Batterien begrenzen.

Operando-Synchrotron-Röntgen-Mikrotomografie

Mithilfe von Röntgentomografie beobachteten Forscher die interne Entwicklung der Materialien in Festkörper-Lithiumbatterien während des Ladens und Entladens. Detaillierte dreidimensionale Informationen aus der Forschung könnten helfen, die Zuverlässigkeit und Leistung der Batterien zu verbessern, die feste Materialien verwenden, um die brennbaren flüssigen Elektrolyte in bestehenden Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen.

Operando-Synchrotron-Röntgen-Computermikrotomografie zeigte, wie die dynamischen Veränderungen der Elektrodenmaterialien an Lithium/Festkörper-Elektrolyt-Grenzflächen das Verhalten von Festkörperbatterien bestimmen. Die Forscher fanden heraus, dass der Batteriebetrieb Hohlräume an der Grenzfläche entstehen ließ, was einen Kontaktverlust verursachte, der die primäre Ursache für das Versagen der Zellen war.

Spezielle Testzellen und 3D-Rekonstruktion

Das Team baute spezielle Testzellen von etwa zwei Millimetern Breite und untersuchte die Änderungen der Batteriestruktur über einen Zeitraum von fünf Tagen. Das Testinstrument nahm Bilder aus verschiedenen Richtungen auf; die Bilder wurden mithilfe von Computeralgorithmen rekonstruiert, um 3D-Bilder der Batterien über die Zeit zu liefern.

Da Lithium so leicht ist, kann seine Abbildung mit Röntgenstrahlen herausfordernd sein und erforderte ein spezielles Design der Testbatteriezellen. Die verwendete Technologie ähnelt der für medizinische Computertomografie (CT). Aufgrund von Testbeschränkungen konnten die Forscher die Struktur der Batterien nur durch einen einzigen Zyklus beobachten. In zukünftiger Arbeit möchten sie sehen, was über zusätzliche Zyklen passiert und ob sich die Struktur irgendwie an die Bildung und Füllung von Hohlräumen anpasst. Die Ergebnisse würden wahrscheinlich auf andere Elektrolytformulierungen anwendbar sein, und die Charakterisierungstechnik könnte genutzt werden, um Informationen über andere Batterieprozesse zu erhalten.

Lebensdauer-Anforderung für E-Fahrzeuge

Batteriepakete für Elektrofahrzeuge müssen mindestens 1.000 Zyklen bei einer projizierten Lebensdauer von 150.000 Meilen standhalten. Während Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Elektroden mehr Energie für eine gegebene Batteriegröße bieten können, wird dieser Vorteil die bestehende Technologie nicht überwinden, es sei denn, sie können vergleichbare Lebensdauern bieten.