Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Batterieforschung: Wachstum zerstörerischer Ablagerungen in Echtzeit beobachten

03.03.2015

Jülicher Wissenschaftler haben mithilfe eines neuen Verfahrens erstmals in Echtzeit beobachtet, wie sich während des Aufladens poröse Schichten an einer Anode aus reinem Lithium bilden. Die Verwendung einer Lithium-Anode könnte die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus beträchtlich erhöhen. Die Bildung zerstörerischer Ablagerungen gilt als das größte Hindernis, das der praktischen Anwendung im Weg steht. Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher die sogenannte Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie, eine Methode, die mit der weiter verbreiteten Kernspinresonanz verwandt ist.

Das Aufkommen des Lithium-Ionen-Akkus hat die rasanten Fortschritte bei der Entwicklung tragbarer Elektrogeräte wie Notebook, Smartphone und Tablet-PCs überhaupt erst möglich gemacht. Doch die Bezeichnung greift eigentlich zu kurz. Denn die Anoden heutiger Lithium-Ionen-Akkus bestehen nicht aus Lithium, wie man meinen könnte, sondern in der Regel aus Graphit. Lithium ist nur im flüssigen Elektrolyten und in der Kathode enthalten, dabei würde seine Verwendung als Anodenmaterial die Energiedichte schlagartig erhöhen.

„Lithium ist sehr leicht und hat gleichzeitig ein hohes elektronegatives Potenzial, sodass sich mit einer entsprechenden Anode die Energiedichte von Lithium-Ionen Akkus um 50 Prozent steigern lässt. Das ist schon enorm, wenn man bedenkt, dass heutige Lithium-Ionen-Akkus bereits eine mehrere Jahrzehnte lange Entwicklungsgeschichte hinter sich haben und daher schon ziemlich ausgereift sind“, berichtet Prof. Rüdiger-A. Eichel, Direktor am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Auch der Erfolg weiterer Batterien der Zukunft wie Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Akkus hängt entscheidend davon ab, dass es gelingt, Lithium als Anodenmaterial für wiederaufladbare Batterien zu erschließen.

Problematisches Lithium
Doch die Nutzung einer Lithium-Anode, einige sprechen auch vom „Heiligen Gral der Batterieforschung“, ist mit einigen Herausforderungen verbunden, allen voran der Bildung von porösem Lithium. Das Metall geht beim Entladen der Batterie in ionisierter Form von der Anode in die flüssige Elektrolyt-Lösung über. Beim Laden dreht sich dieser Vorgang im Prinzip um, wobei sich das Lithium oftmals in Form einer porösen Schicht ablagert. Diese Schicht kann den elektrischen Kontakt zur Anode verlieren und nimmt dann nicht mehr aktiv an den Lade- und Entladeprozessen teil. Das beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Batterie und zehrt auf Dauer am Anodenmaterial. Die Ablagerungen können auch einen Kurzschluss herbeiführen oder Schutzschichten durchbrechen und somit zum Zerstören – und im schlimmsten Fall sogar zur Explosion – des Akkus führen.

Zerstörungsfreie Messung
Die Entwicklung von Gegenmaßnahmen setzt voraus, dass Wissenschaftler die ablaufenden Prozesse im Detail nachvollziehen können. „Mit der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie haben wir ein neues Verfahren gefunden, mit dem wir in Echtzeit mitverfolgen können, wie sich das poröse Lithium an der Anode bildet und teilweise auch wieder abgetragen wird“, erläutert Dr. Josef Granwehr. „Mit den gängigen Methoden ließen sich bisher nur einzelne Schnappschüsse erstellen, indem die Vorgänge unterbrochen und die Zellen zu bestimmten Zeitpunkten geöffnet wurden“, so der Jülicher Wissenschaftler, der den experimentellen Aufbau mitentwickelt hat.

Für die Untersuchung nutzten die Forscher eine spezielle, stiftförmige Batteriezelle, die Wissenschaftler der TU München eigens für die Echtzeit-Messungen im EPR-Spektrometer entworfen haben. Das Verfahren ist eng verwandt mit der Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie. Anders als bei dieser werden jedoch nicht die Kerne der Atome, sondern die äußeren Leitungselektronen durch elektromagnetische Wellen angeregt. „Mittels Elektronenspinresonanz lassen sich insbesondere feine Oberflächenstrukturen und dünne Schichten sehr gut erfassen. Das liegt zum einen daran, dass sich die Elektronen sehr gut anregen lassen, stärker als die vergleichsweise schweren Atomrümpfe bei der Kernspinresonanz. Zum anderen wird mit deutlich kleineren Wellenlägen im Mikrowellenbereich gearbeitet, die nicht so tief in das Lithium eindringen“, erläutert Granwehr.

Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ der britischen Royal Society of Chemistry erschienen (DOI: 10.1039/c4ee02730b). Die Forscher arbeiten nun daran, die Methode auch auf andere Fragestellungen in der Batterieforschung anzuwenden.

Originalpublikation:
Johannes Wandt, Cyril Marino, Hubert A. Gasteiger, Peter Jakes, Rüdiger-A. Eichel, Josef Granwehr
Operando electron paramagnetic resonance spectroscopy – formation of mossy lithium on lithium anodes during charge–discharge cycling
Energy Environ. Sci. 2015 (Latest Edition published 27 February 2015, first published online 16 February 2015), DOI: 10.1039/c4ee02730b
Abstract: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ee/c4ee02730b

Weitere Informationen:
Forschung am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9): http://www.fz-juelich.de/iek/iek-9/DE/Home/home_node.html

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel, Leiter des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel. +49 2461 61-5124
r.eichel@fz-juelich.de

Dr. Josef Granwehr, Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel. +49 2461 61-96400
j.granwehr@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-03-03ERS-Sp...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Hochauflösende IR Kamera mit Mikroskopoptik
23.10.2017 | Optris GmbH

nachricht »ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern
18.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften

Neues Sensorsystem sorgt für sichere Ernte

23.10.2017 | Informationstechnologie

Salmonellen als Medikament gegen Tumore

23.10.2017 | Biowissenschaften Chemie