Blick ins Innere einer Batterie

Was passiert in einer Batterie auf mikro­skopischer Ebene während des Ladens und Entladens? Ein neues Verfahren, um diese bislang kaum zugänglichen Vorgänge live zu beobachten, hat ein Wissen­schaftler­team um Prof. Dr. Gunther Wittstock vom Institut für Chemie der Uni Oldenburg kürzlich in der Fachzeit­schrift ChemElectroChem vorgestellt. Die neue Methode könne dazu beitragen, schneller geeignete Materialien für neuartige Batterien zu finden, so der Forscher. Ziel sei es, umwelt­freund­lichere Energie­speicher mit längerer Lebens­dauer und höherer Leistungs­dichte zu entwickeln. Zu dem Team gehören auch Wissen­schaftler des Batterie­forschungs­zentrums MEET der Uni Münster.

Batterien wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Dabei wandern geladene Teilchen von einer positiv geladenen Elektrode, der Kathode, zur negativen Anode. In vielen modernen Batterien und wiederauf­ladbaren Akkus ist das reaktions­freudige Metall Lithium ein wichtiger Bestandteil der Anode. Auf deren Ober­fläche bilden sich während des Betriebs hauchdünne Filme, die sowohl Elektrode als auch Batterie­flüssigkeit vor Zersetzung schützen. Bislang war es jedoch kaum möglich, Veränderungen der wenige millionstel Meter (Mikrometer) dicken, komplex aufgebauten Schichten während des Ladens und Entladens direkt zu beobachten.

Das Team entwickelte nun ein neues Messprinzip, um während des Batterie­betriebs örtlich hochauflösende Informationen über die Oberfläche metallischer Lithium-Elektroden zu erhalten. „Mit fort­laufender Zeit können chemische Prozesse auf der Oberfläche der Elektrode einen großen Einfluss auf die Lebens­dauer und die Leistungs­fähigkeit einer Batterie haben“, so Wittstock. Als Analyse­verfahren verwendeten die Forscher die elektro­chemische Raster­mikroskopie (englisch: scanning electro­chemical microscopy, kurz: SECM). Dabei wird eine Mess­sonde schrittweise über die Oberfläche einer Probe bewegt, um chemische Informa­tionen im Abstand von wenigen Mikrometern zu sammeln. Eine Software übersetzt die Messdaten in ein farbiges Bild. „Indem wir diesen Vorgang mehrmals wiederholen, können wir Veränderungen auf der Proben­oberfläche wie in einem Daumenkino verfolgen“, berichtet Wittstock.

Bastian Krueger, Mitarbeiter in Wittstocks Arbeits­gruppe Physika­lische Chemie, entwickelte in seiner Doktor­arbeit eine spezielle Messzelle, in der die Versuchs­bedingungen – wie etwa die Strom­stärke – im Wesent­lichen denen in einer echten Batterie entsprachen. Der Chemiker testete verschiedene, mit 3D-Druckern und CNC-Mikro­fräsen hergestellte Zell­aufbauten. Luis Balboa, ebenfalls Doktorand in der Arbeits­gruppe, führte Computer­simulationen durch, um die Zell­geometrie zu optimieren und realistische Versuchs­bedingungen herzustellen. Das Team aus Münster steuerte Referenz­proben bei.

Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, die Prozesse auf der Lithium-Anode mit bislang unerreichter Genauigkeit zu untersuchen. Die Forscher beobachteten, wie sich dort bei hohen Ladegeschwindigkeiten Lithium aus der Batterieflüssigkeit absetzte. Aus solchen lokal verstärkten Abscheidungen können sich so genannte Dendrite bilden – sich verzweigende Fortsätze aus Lithium auf der Elektrode. Diese Gebilde begrenzen die Lebensdauer von Batterien und können im Extremfall zu ihrer Zerstörung führen.

„Der Durchbruch unserer Studie besteht darin, dass wir erstmals derartige Prozesse bei realistischen Strom­dichten direkt in der Mess­apparatur ausführen und ihre Auswir­kungen bildlich verfolgen konnten“, betont Wittstock. Das Verfahren sei auch für andere Typen von Elektroden geeignet. Lang­fristiges Ziel sei es, mit Hilfe der elektro­chemischen Raster­mikro­skopie zu unter­suchen, wie unter­schied­liche Vorbehand­lungs­schritte das Wachstum der Grenzschicht auf den Elektroden beein­flussen.

Die Arbeit ist Teil des Koope­rations­projekts Alternative Materialien und Komponenten für Lithium-Sauerstoff-Batterien AMaLiS, das noch bis Ende 2020 durch das Bundes­forschungs­ministerium gefördert wird. Ziel ist es, neuartige Batterie­komponenten zu designen und gleichzeitig Verfahren zu entwickeln, um diese Komponenten zu testen.

Referenz: B. Krueger et al.: Solid Electrolyte Interphase Evolution on Lithium Metal Electrodes Followed by Scanning Electrochemical Microscopy Under Realistic Battery Cycling Current Densities, ChemElectroChem, DOI: 10.1002/celc.202000441

Link: Arbeits­gruppe Physika­lische Chemie, arl von Ossietzky Universität Oldenburg

Bild: In einer selbst entwickelten Messzelle untersuchte das Team Lithium-Elektroden mit der elektrochemischen Rastermikroskopie. (Quelle: B. Krueger, UOL)

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