Feststoffbatterien bieten zahlreiche Vorteile: Sie speichern mehr Energie und sind sicherer als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Dennoch halten sie nicht so lange und ihre Kapazität nimmt mit jedem Ladezyklus ab. Doch das muss nicht so bleiben: Forscher sind den Ursachen bereits auf der Spur.
Neue Methode zur Überwachung von Elektrochemischen Reaktionen
In der Fachzeitschrift ACS Energy Letters stellt ein Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) eine innovative Methode vor, mit der elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie präzise überwacht werden können. Dank der Photoelektronenspektroskopie an BESSY II lassen sich wertvolle Erkenntnisse gewinnen, um Batteriematerialien und -design zu verbessern.
Herausforderungen und Chancen bei Feststoffbatterien
Feststoffbatterien nutzen einen festen Ionenleiter zwischen den Batterieelektroden anstelle eines flüssigen Elektrolyten, was zu einer sichereren Handhabung und einer höheren Kapazität führt. Allerdings ist die Lebensdauer dieser Batterien noch begrenzt. An den Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrode entstehen Zersetzungsprodukte und Interphasen, die den Transport der Lithium-Ionen behindern und somit die Kapazität der Batterien mit jedem Ladezyklus verringern.
Forschungsmethode im Detail
Das Team um Dr. Elmar Kataev und Prof. Marcus Bär vom HZB hat eine neue Methode entwickelt, um die elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche zwischen festem Elektrolyt und Elektrode mit hoher zeitlicher Auflösung zu analysieren. Unter Einsatz der harten Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) und der analytischen Fähigkeiten des Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL) an BESSY II können sie die Reaktionsprodukte in Echtzeit identifizieren und deren Entwicklung in Abhängigkeit der angelegten Zellspannung beobachten.
Untersuchung des Elektrolyten Li6PS5Cl
Für die Studie wurden Proben des festen Elektrolyten Li6PS5Cl analysiert, welcher aufgrund seiner hohen Ionenleitfähigkeit als vielversprechend für Feststoffbatterien gilt. In Zusammenarbeit mit Professor Jürgen Janek von der Justus-Liebig-Universität Gießen verwendeten die Forscher eine extrem dünne Nickelschicht (30 Atomlagen oder 6 Nanometer) als Arbeitselektrode. Eine Lithiumfolie diente als Gegenelektrode.
Ergebnisse und Ausblick
Die Ergebnisse zeigten, dass die Zersetzungsreaktionen nur teilweise reversibel waren.
„Wir zeigen, dass es möglich ist, mit einem ultradünnen Stromkollektor die elektrochemischen Reaktionen an den verborgenen Grenzflächen mittels Oberflächencharakterisierungsmethoden zu untersuchen“,
so Kataev. Das HZB-Team hat bereits Anfragen von Forschungsgruppen aus dem In- und Ausland erhalten, die ebenfalls an diesem Charakterisierungsansatz interessiert sind.
Als nächster Schritt soll dieser Ansatz erweitert und Batterien mit Verbundpolymer-Elektrolyten sowie verschiedenen Anoden- und Kathodenmaterialien untersucht werden.
Quelle: https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=27326&sprache=en&seitenid=1
