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11.04.2023 - Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH


FLASCHENHALS GEFUNDEN: FORSCHER ENTDECKEN URSACHE FÜR LANGE LADEZEITEN VON
FESTKÖRPERBATTERIEN


LITHIUM-SCHWEFEL-FESTKÖRPERBATTERIEN: LADUNGSTRANSPORT DIREKT BEOBACHTET

© HZB

3-D-Tomographie-Bilder des entladenen (oben) und des wieder aufgeladenen
Zustands (Mitte), sowie die Differenz zwischen beiden (unten), die anzeigt, wo
sich die mobilen Lithium-Ionen (grün) befinden.

Hineinzoomen

‹ ›

Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien bieten im Vergleich zu herkömmlichen
Lithium-Ionen-Batterien das Potenzial für eine wesentlich höhere Energiedichte
und mehr Sicherheit. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit von
Festkörperbatterien derzeit noch unzureichend, was vor allem an sehr langen
Ladezeiten liegt - und das, obwohl sie theoretisch eine besonders schnelle
Aufladung ermöglichen sollten. Eine neue Studie des HZB zeigt nun, dass die
Hauptursache dafür die sehr schleppende Einwanderung von Lithium-Ionen in die
Verbundkathode ist.

Das Team konstruierte eine spezielle Zelle, um den Transport von Lithium-Ionen
zwischen Anode und Kathode in einer Lithium-Schwefel-Festkörperbatterie zu
beobachten. Da sich Lithium mit Röntgenmethoden kaum nachweisen lässt,
untersuchten die HZB-Physiker Dr. Robert Bradbury und Dr. Ingo Manke die
Probezelle mit Neutronen, die extrem empfindlich auf Lithium reagieren. Zusammen
mit Dr. Nikolay Kardjilov, HZB, nutzten sie Neutronenradiographie und
Neutronentomographie am CONRAD2-Instrument an der Berliner Neutronenquelle BER
II. Auch Gruppen aus Gießen (JLU), Braunschweig (TUBS) und Jülich (FZJ) waren an
den Arbeiten beteiligt.


LITHIUM-IONEN BEIM WANDERN

„Wir haben jetzt eine viel bessere Vorstellung davon, was die Leistung der
Batterie einschränkt", sagt Bradbury: „Aus den Daten der operando
Neutronenradiographie sehen wir, dass sich eine Reaktionsfront von Lithium-Ionen
durch die Verbundkathode ausbreitet, was den negativen Einfluss der niedrigen
effektiven Ionenleitfähigkeit bestätigt." Darüber hinaus zeigen die
3D-Neutronentomographie-Bilder, dass sich das eingeschlossene Lithium während
des Aufladens in der Nähe des Stromabnehmers konzentriert. „Dies führt zu einer
verminderten Kapazität, da nur ein Teil des Lithiums beim Aufladen der Batterie
zurücktransportiert wird."

Die beobachtete Lithiumverteilung stimmt sehr gut mit einer Modellrechnung auf
Basis der Theorie der porösen Elektroden überein: „Was wir hier in den
Neutronenbilddaten beobachten, korreliert gut mit den relevanten elektronischen
und ionischen Leitfähigkeitsbedingungen aus dem Modell", sagt Bradbury.


DER FLASCHENHALS IST IDENTIFIZIERT

Diese Ergebnisse machen auf einen bisher übersehenen Entwicklungsengpass für
Festkörperbatterien aufmerksam: Der langsame Ionentransport begrenzt die
Leistung. Die Herausforderung besteht nun darin, einen schnelleren
Ionentransport innerhalb des Kathodenverbunds zu ermöglichen. „Ohne eine direkte
Visualisierung der Reaktionsfront innerhalb des Kathodenverbunds wäre dieser
Effekt möglicherweise unbemerkt geblieben, obwohl er für die Entwicklung von
Festkörperbatterien von großer Bedeutung ist", sagt Bradbury.

Originalveröffentlichung
 * Advanced Energy Materials (2023): Visualizing reaction fronts and transport
   limitations in solid-state Li-S batteries via operando neutron imaging;
   Robert Bradbury, Georg F. Dewald, Marvin A. Kraft, Tobias Arlt, Nikolay
   Kardjilov, Jürgen Janek, Ingo Manke, Wolfgang G. Zeier, Saneyuki Ohno




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