Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenlicht zeigt Strukturschäden an Lithium-Ionen-Akkus

14.04.2015

Zu schnelles Laden von Lithium-Ionen-Akkus kann die Akkukapazität dauerhaft herabsetzen. Dabei werden Teile der Struktur des Energiespeichers zerstört und deaktiviert.

Derartige Strukturveränderungen hat DESY-Forscherin Dr. Ulrike Bösenberg mit ihrem Team an der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III jetzt erstmals abgelichtet. In ihren Fluoreszenzuntersuchungen, die im aktuellen Heft des Fachblatts „Chemistry of Materials“ erscheinen (online vorab veröffentlicht), zeigen sich bereits nach wenigen Ladezyklen deutliche Schäden an der inneren Struktur des Akkumaterials, die bei langsamer Ladung nicht auftraten.


Nach 25 Schnellladezyklen zeigt die Mangan-Verteilung in der Elektrode deutliche Löcher.

Bild: Ulrike Bösenberg/DESY

Lithium-Ionen-Akkus sind sehr gebräuchlich, weil sie eine hohe Ladungsdichte haben. Typischerweise lässt nach 1000 Ladungen und Entladungen die Speicherkapazität deutlich nach. Ein vielversprechender Kandidat für eine neue Generation dieser Energiespeicher, vor allem wegen ihrer hohen Spannung von 4,7 Volt, sind sogenannte Lithium-Nickel-Manganoxid- oder LNMO-Spinell-Materialien. Die Elektroden bestehen aus Minikristallen, sogenannten Kristalliten, die mit Bindermaterial und leitendem Kohlenstoff zu dünnen Schichten verbunden werden.

Das Team um Bösenberg, zu dem auch Forscher der Universität Gießen, der Universität Hamburg und von der australischen Forschungsorganisation CSIRO gehören, untersuchte die negativen Elektroden dieser LiNi0.5Mn1.5O4-Verbindung an der Mikrofokus-Strahlführung P06 der Röntgenquelle PETRA III bei DESY. Mit Hilfe eines neuartigen Röntgen-Fluoreszenzdetektors konnten sie auf einen halben Mikrometer (millionstel Meter) genau die Verteilung von Nickel und Mangan über große Bereiche auf der Elektrode bestimmen. Aus Atomen dieser Übergangsmetalle ist das molekulare Trägergerüst der Akkuelektrode aufgebaut – ein relativ starres Kristallgitter, in das sich die Lithium-Ionen dann als bewegliche Ladungsträger ein- oder ausklinken können.

Bei ihren Untersuchungen setzten die Forscher verschiedene Akkuelektroden jeweils 25 Lade- und Entladezyklen mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten aus und vermaßen die elementare Verteilung der Bestandteile in den Elektroden. Dabei stellten die Forscher fest, dass sich bei schneller Ladung die Mangan- und Nickel-Atome aus der Kristallstruktur lösen können. Sie beobachteten sogar richtige Löcher in der Elektrode mit bis zu 100 Mikrometern (0,1 Millimeter) Durchmesser. Die zerstörten Bereiche stehen dann nicht mehr für die Lithium-Speicherung zur Verfügung.

In ihren Untersuchungen mit der Röntgenfluoreszenzmethode machten sich die Forscher zunutze, dass Röntgenlicht chemische Elemente zur Fluoreszenz, der kurzzeitigen Aussendung von Strahlung, anregen kann. Die Wellenlänge oder Energie der Fluoreszenzstrahlung liefert dabei einen charakteristischen Fingerabdruck des jeweils ausstrahlenden chemischen Elements. So lässt sich die Verteilung der einzelnen Stoffe in der Elektrode genau ermitteln. Die Forscher nutzten hierfür einen neuartigen Fluoreszenzdetektor, von dem es in dieser Form weltweit nur zwei Exemplare gibt. Dieser „Maia“-Detektor, eine Entwicklung der CSIRO und des US-Forschungszentrums BNL, besteht aus fast 400 einzelnen Elementen, die die Fluoreszenzstrahlung der Probe einsammeln. Durch seine hohe Energieauflösung und Empfindlichkeit ist der Detektor in der Lage, mehrere chemische Elemente gleichzeitig zu lokalisieren.

Durch den feinen und hochintensiven Röntgenstrahl von PETRA III konnte die rund 2x2 Quadratmillimeter große Probenfläche auf einen halben Mikrometer genau abgetastet werden. Die Untersuchung jedes Punktes dauerte dabei lediglich eine tausendstel Sekunde. „Es ist das erste Mal, dass wir diese Inhomogenitäten mit so einer hohen Ortsauflösung über einen so großen Bereich lokalisieren konnten“, sagt Bösenberg. „Wir hoffen, die Effekte so besser zu verstehen und die Grundlage für bessere Energiespeicher zu schaffen.“

Rätselhaft ist noch, wo die herausgelösten Nickel- und Mangan-Atome bleiben – das wollen die Wissenschaftler in Folgeuntersuchungen herausfinden. „Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass sich das herausgelöste Material zumindest teilweise an der Anode ablagert und so die Akkueigenschaften doppelt schädigt“, resümiert Bösenberg.

###

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Originalveröffentlichung:
Correlation between Chemical and Morphological Heterogeneities in LiNi0.5Mn1.5O4 Spinel Composite Electrodes for Lithium-Ion Batteries Determined by Micro-X-ray Fluorescence Analysis, Ulrike Bösenberg, Mareike Falk, Christopher G. Ryan, Robin Kirkham, Magnus Menzel, Jürgen Janek, Michael Fröba, Gerald Falkenberg und Ursula E. A. Fittschen; Chemistry of Materials, 27 (7), 2015; DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b00119

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b00119 - Fachveröffentlichung in „Chemistry of Materials“

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie