Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Damit der Akku länger hält – Lithium-Ionen-Batterien besser verstehen

19.02.2019

Oldenburger Chemiker beobachten erstmals entscheidenden Vorgang auf Silizium-Elektroden

Eine der größten Herausforderungen auf dem Weg zu leistungsfähigeren Lithium-Ionen-Akkus sind hauchdünne Filme, die sich während des Betriebs auf den Elektroden bilden.


Anhand von Messwerten einer Mikroelektrode konnten die Oldenburger Chemiker die Entstehung von dünnen Filmen auf Silizium-Elektroden messen.

Abbildung: Gunther Wittstock, Universität Oldenburg

Diese Beläge schützen die Elektroden und die Batterieflüssigkeit vor Zersetzung, verringern aber die Leistung der Akkus umso stärker, je dicker sie werden.

Ein Team um die Chemiker Prof. Dr. Gunther Wittstock und Eduardo dos Santos Sardinha von der Universität Oldenburg hat nun erstmals beobachtet, wie Silizium-Elektroden während des ersten Ladezyklus allmählich von einem solchen Film bedeckt werden.

Die Forscher wiesen nach, dass die Schutzschicht anders als bislang angenommen nicht auf der gesamten Oberfläche gleichzeitig entsteht, sondern fleckenhaft heranwächst. Auf der extrem glatten Oberfläche eines Plättchens aus kristallinem Silizium bildeten sich Wachstumsinseln, von denen aus der Film sich weiter ausdehnte.

In der Zeitschrift ACS Applied Energy Materials berichtet das Team, dass die Steuerung der Filmentstehung nun gezielt untersucht werden kann.

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien liefern Energie für Hörgeräte, Handys, E-Bikes oder Elektroautos und dienen als Speicher für Wind- und Solarstrom. Schon seit längerem sind Chemiker auf der Suche nach Möglichkeiten, um die Leistung der Akkus zu vergrößern, damit E-Autos beispielsweise längere Strecken zurücklegen können. Dabei experimentieren sie mit unterschiedlichen Elektroden-Materialien, unter anderem mit Silizium.

„Silizium kann mehr Lithium speichern als Graphit, das bisher in den meisten Batterien als negative Elektrode verwendet wird“, sagt Wittstock. Dadurch erhöht sich die Energiespeicherkapazität der Batterie. Silizium besitzt aber einen entscheidenden Nachteil:

Während des Ladevorgangs schwellen die Elektroden auf mehr als das Zweieinhalbfache ihres ursprünglichen Volumens an. Dadurch entstehen Spannungen im Material und die Elektroden zerbröseln schnell. Für Batterieanwendungen werden daher Silizium-Elektroden aus Nanopartikeln getestet, die die Ausdehnung besser verkraften.

Die Volumenausdehnung stellt aber auch für die dünnen Schutzschichten auf den Elektroden ein Problem dar. Die Filme entstehen, weil in den elektrochemischen Zellen der Akkus während des Ladens und Entladens chemische Reaktionen stattfinden:

Bei starken elektrischen Spannungen zersetzt sich die elektrisch leitfähige Elektrolyt-Flüssigkeit zwischen den beiden Elektroden, die aus lithiumhaltigen Salzen und einem organischen Lösungsmittel besteht. Die Zersetzungsprodukte bilden auf der negativen Elektrode eine feste, dünne, komplex aufgebaute Schicht, die wie ein Türsteher wirkt: Sie trennt die Elektrolyt-Flüssigkeit von dem reaktiven Elektrodenmaterial, lässt aber Lithium-Ionen durch.

Dieser Film ist entscheidend für Lebensdauer und Leistung eines Akkus. Doch bislang weiß man nur wenig über die Entstehung solcher Beläge, da es schwierig ist, ihr Wachstum direkt zu beobachten. Bei Silizium-Elektroden führt die starke Volumenänderung dazu, dass die Filme schon beim ersten Ladezyklus reißen und in der Folge unter Verbrauch der Elektrolyt-Flüssigkeit immer wieder neu gebildet werden.

Wittstock, dos Santos Sardinha und zwei Kollegen von der Universität Graz gelang es nun, die Filmbildung beim allerersten Ladezyklus zu beobachten. „Wenn man eine Elektrode erst nach mehreren Ladezyklen analysiert, ist der ursprüngliche Film bereits stark verändert, weil sich die Elektrode schon mehrfach ausgedehnt und wieder zusammengezogen hat“, erläutert Wittstock.

Das Team verlangsamte den Ladevorgang durch ein spezielles Programm. Sie nutzten eine jungfräuliche Elektrode aus kristallinem Silizium und untersuchten die Filmbildung mit der elektrochemischen Rastermikroskopie (SECM). Dieses Verfahren verwendet eine Mikroelektrode, um die Silizium-Oberfläche Stück für Stück abzufahren.

Die Messwerte werden in eine Farbskala übersetzt und zu einem Bild zusammengesetzt. Diese Bilder verrieten den Forschern, wo sich bereits ein Film befand und wo nicht. „Wir haben im Prinzip Schnappschüsse der Oberfläche während der Filmbildung machen können“, sagt Wittstock. Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es Chemikern nun, die Filmbildung auf Silizium-Elektroden systematisch zu untersuchen und anschließend zu optimieren.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

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

Originalpublikation:

Eduardo dos Santos Sardinha, Michael Sternad, Martin Wilkening und Gunther Wittstock: “Nascent SEI-Surface Films on Single Crystalline Silicon Investigated by Scanning Electrochemical Microscopy”, ACS Applied Energy Materials, DOI:10.1021/acsaem.8b01967

Weitere Informationen:

https://uol.de/pc2/
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.8b01967

Dr. Corinna Dahm-Brey | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Goldkugel im goldenen Käfig
21.03.2019 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Wichtiger Mechanismus der Antigenpräsentation in Wächterzellen des Immunsystems enträtselt
21.03.2019 | Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Magnetische Mikroboote

Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper, wie z.B. zu einem Tumor, ebnen könnten. Die Herstellung solcher Strukturen sowie deren Bewegung kann einfach durch Magnetfelder gesteuert werden und findet daher Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. Eisenoxid ist der...

Im Focus: Magnetic micro-boats

Nano- and microtechnology are promising candidates not only for medical applications such as drug delivery but also for the creation of little robots or flexible integrated sensors. Scientists from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) have created magnetic microparticles, with a newly developed method, that could pave the way for building micro-motors or guiding drugs in the human body to a target, like a tumor. The preparation of such structures as well as their remote-control can be regulated using magnetic fields and therefore can find application in an array of domains.

The magnetic properties of a material control how this material responds to the presence of a magnetic field. Iron oxide is the main component of rust but also...

Im Focus: Goldkugel im goldenen Käfig

„Goldenes Fulleren“: Liganden-geschützter Nanocluster aus 32 Goldatomen

Forschern ist es gelungen, eine winzige Struktur aus 32 Goldatomen zu synthetisieren. Dieser Nanocluster hat einen Kern aus 12 Goldatomen, der von einer Schale...

Im Focus: Wichtiger Mechanismus der Antigenpräsentation in Wächterzellen des Immunsystems enträtselt

TWINCORE-Forscher entschlüsseln, wie der Transport von Antigenfragmenten auf die Oberfläche von Immunzellen des Menschen reguliert wird

Dendritische Zellen sind die Wächter unserer Immunabwehr. Sie lauern fremden Eindringlingen auf, schlucken sie, zerlegen sie in Bruchstücke und präsentieren...

Im Focus: Selbstheilender Lack aus Maisstärke lässt kleine Kratzer durch Wärme verschwinden

Ein neuer Lack aus Maisstärke ist wegen der besonderen Anordnung seiner Moleküle in der Lage, durch Wärme kleine Kratzer von selbst zu reparieren: Die Vernetzung über ringförmige Moleküle macht das Material beweglich, sodass es die Kratzer ausgleicht und diese wieder verschwinden.

Oberflächliche Mikrokratzer in der Autokarosserie oder auf anderen Hochglanzoberflächen sind harmlos, aber ärgerlich. Gerade im Luxussegment zeichnen sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte nationale Tagung 2019 für Nuklearmedizin in Bremen

21.03.2019 | Veranstaltungen

6. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztage vom 25. bis 26.3. 2019

21.03.2019 | Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Magnetische Mikroboote

21.03.2019 | Physik Astronomie

Protein BRCA1 als Stress-Coach

21.03.2019 | Biowissenschaften Chemie

Möglicher Ur-Stoffwechsel in Bakterien entdeckt

21.03.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics