Ein tiefgreifender Einblick in die Elektrodynamik von wiederaufladbaren Batterien wird durch Forschungsteams, angeführt vom Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), offengelegt und hat das Potential, unsere Auffassung von Batterielebensdauer und -leistung grundlegend zu ändern.
Unerwartete Leitfähigkeit der Festelektrolyt-Interphasenschicht
Ein jahrzehntelanges Missverständnis wurde durch die erstmals durchgeführte direkte Messung der elektrischen Eigenschaften an der Grenzfläche zwischen der festen Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten in einer wiederaufladbaren Batterie aufgeklärt. Die sogenannte Festelektrolyt-Interphasenschicht (SEI) verhält sich nicht, wie bisher angenommen, als elektronischer Isolator, sondern zeigt Eigenschaften eines Halbleiters.
Der Schlüsselfund zeigt, dass die SEI während des Batteriebetriebs elektrisch funktioniert und liefert damit Antworten auf langjährige Fragen zur Elektrodendynamik im Betrieb von Akkumulatoren. Forscher fokussierten sich auf die SEI-Schicht, die dünner als ein Blatt Papier ist, aufgrund ihrer überproportionalen Rolle für die Batterieleistung.
Ein höherer Grad an elektrischer Leitfähigkeit induziert eine dickere SEI mit komplexen festen Lithiumformen, was letztendlich zu einer minderwertigen Batterieleistung führt,
sagte Chongmin Wang, ein PNNL Laboratory Fellow und Batterietechnologieexperte, der die Studie mitgeleitet hat.
Anwendung und Implikationen für Künftige Akkutechnologien
Die Entdeckungen haben direkte Auswirkungen auf die Entwicklung langlebigerer Batterien durch das Feintuning der physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften des flüssigen Elektrolyten, welcher oft als die “Blutzufuhr” einer betriebenen Batterie bezeichnet wird.
Ursache und Wirkung: Die Lithiumablagerung
Seit jeher wurde in alternden wiederaufladbaren Batterien eine signifikante Ablagerung von festem Lithium an den negativen Elektroden beobachtet. Man ging bisher davon aus, dass dieser Aufbau die Ursache für Leistungsverluste sei. Ein Grund für diese Annahme war die Unfähigkeit, Messungen durchzuführen, um Ursache und Wirkung zu prüfen. Wang und sein Team, das auch aus Wissenschaftlern von Texas A&M University und dem Lawrence Berkeley National Laboratory besteht, entwickelten eine neue Technik zur direkten Messung der elektrischen Leitung durch die SEI in einem experimentellen System.
Die Forschungsgruppe kombinierte Transmissionselektronenmikroskopie mit nanoskaliger Manipulation von mikrofabrizierten Metallnadeln im Mikroskop und konnte somit die elektrischen Eigenschaften der SEI-Schicht, die auf Kupfer oder Lithiummetall mit vier verschiedenen Typen von Elektrolyten gebildet wurde, messen.
Elektronen-Leckage: Eine Hürde für Batterielebensdauer
„Wir haben herausgefunden, dass die kohlenstoffhaltigen organischen Komponenten der SEI-Schicht dazu neigen, Elektronen durchsickern zu lassen“, sagte Xu. Um Batterien zu ermöglichen, eine längere Lebensdauer zu haben, sollte der Gehalt an organischen Bestandteilen in der SEI minimiert werden. „Selbst geringfügige Variationen der Leitungsrate durch die SEI können dramatische Unterschiede in der Effizienz und der Batteriezyklusstabilität zur Folge haben“, fügte Wang hinzu.
Fazit und Ausblick
Die Erkenntnisse dieser Forschung ermöglichen es, die bisherigen Annahmen über den Aufbau von Lithiumablagerungen und deren Effekt auf die Batterieleistung zu überdenken. Durch die direkte Messung und Beobachtung des SEI konnten die Forscher die tatsächlichen Mechanismen, die zum Leistungsverlust führen, identifizieren und präsentieren damit wertvolle Einsichten für die Entwicklung zukünftiger Batterietechnologien.
Mit diesem Durchbruch im Verständnis des Einflusses der SEI-Schicht auf die Batterieleistung eröffnen sich neue Perspektiven und Ansätze für die Entwicklung und Optimierung künftiger Akkumulatoren und Elektrodenmaterialien, mit dem Ziel, langlebigere und leistungsfähigere Energiespeicher zu schaffen.
