Blick ins Innere einer Batterie

In einer selbst entwickelten Messzelle untersuchte das Oldenburger Team Lithium-Elektroden mit der elektrochemischen Rastermikroskopie. Foto: Bastian Krueger

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 Universität 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 (Münster Electrochemical Energy Technology) der Universität 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 sogenannte 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 AMaLiS (Alternative Materialien und Komponenten für Lithium-Sauerstoff-Batterien), das noch bis Ende 2020 durch das Bundesforschungsministerium (BMBF) gefördert wird. Ziel ist es, neuartige Batteriekomponenten zu designen und gleichzeitig Verfahren zu entwickeln, um diese Komponenten zu testen.

Prof. Dr. Gunther Wittstock, Tel.: 0441/798-3971, E-Mail: gunther.wittstock@uol.de

Bastian Krueger, Luis Balboa, Jan Frederik Dohmann, Martin Winter, Peter Bieker, Gunther Wittstock: „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

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/celc.202000441
http://uol.de/pc2/

Ansprechpartner für Medien

Dr. Corinna Dahm-Brey idw - Informationsdienst Wissenschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Herz-Kreislauf-Erkrankungen: Neues Computermodell verbessert Therapie

Mithilfe mathematischer Bildverarbeitung haben Wissenschafter der Forschungskooperation BioTechMed-Graz einen Weg gefunden, digitale Zwillinge von menschlichen Herzen zu erstellen. Die Methode eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der klinischen Diagnostik. Obwohl die…

Teamarbeit im Molekül

Chemiker der Universität Jena erschließen Synergieeffekt von Gallium. Sie haben eine Verbindung hergestellt, die durch zwei Gallium-Atome in der Lage ist, die Bindung zwischen Fluor und Kohlenstoff zu spalten. Gemeinsam…

Älteste Karbonate im Sonnensystem

Die Altersdatierung des Flensburg-Meteoriten erfolgte mithilfe der Heidelberger Ionensonde. Ein 2019 in Norddeutschland niedergegangener Meteorit enthält Karbonate, die zu den ältesten im Sonnensystem überhaupt zählen und zugleich einen Nachweis der…

Partner & Förderer

Indem Sie die Website weiterhin nutzen, stimmen Sie der Verwendung von Cookies zu. mehr Informationen

Die Cookie-Einstellungen auf dieser Website sind so eingestellt, dass sie "Cookies zulassen", um Ihnen das bestmögliche Surferlebnis zu bieten. Wenn Sie diese Website weiterhin nutzen, ohne Ihre Cookie-Einstellungen zu ändern, oder wenn Sie unten auf "Akzeptieren" klicken, erklären Sie sich damit einverstanden.

schließen