21. Aug 2019

Xiaohan Wu (links), Erstautor der Studie, und Federica Marone, Strahllinienwissenschaftlerin an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

An der Strahllinie Tomcat der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS haben PSI-Forschende die mechanischen Vorgänge in dieser Testzelle einer Feststoffbatterie untersucht. Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

PSI: Feststoffbatterien bei der Verformung beobachten - Feststoffelektrolyt ist elastisch und kann sich selber „heilen“

(PSI) Am PSI konnten die mechanischen Vorgänge in Feststoffbatterien so genau wie noch nie beobachtet. Mittels Röntgentomografie entdeckten Forscher in einem Gemeinschaftsprojekt mit Toyota, wie sich Risse im Material der Batterien ausbreiten. Die Erkenntnisse können dabei helfen, Batterien für Elektroautos oder Smartphones sicherer und leistungsfähiger zu machen. (Text en français >>)


Von Mikrochips über Handys bis zu Elektroautos. Für alles benötigt die moderne Gesellschaft Batterien. Diese sollten möglichst viel Energie speichern, sowie leicht, sicher im Alltagsgebrauch und schnell wieder aufzuladen sein. Bisher werden diese zahlreichen Anforderungen am besten von Lithium-Ionen-Batterien erfüllt.

Batterien dieses Typs lassen sich jedoch kaum noch verbessern. Zudem sind die für den Ladungstransport in diese Batterien eingesetzten flüssigen Elektrolyte brennbar. Mehr Sicherheit und weitere Vorteile bieten dagegen Feststoffbatterien. Hier werden die Flüssigkeiten durch Feststoffelektrolyte ersetzt, die höhere Spannungen und Betriebstemperaturen aushalten. Deshalb lassen sich Feststoffbatterien schneller auf- und entladen. Ausserdem speichern sie mehr Energie pro Gewichtseinheit.

Besonders Automobilhersteller interessieren sich deshalb für die Optimierung von Feststoffbatterien. Bislang sind die exakten Vorgänge in derartigen Stromspeichern aber noch nicht ausreichend gut verstanden. So wissen Ingenieure noch nicht, was in ihrem Inneren beim Auf- und Entladen vorgeht. «Um die Feststoffbatterien weiter zu entwickeln, müssen wir die elektromechanischen Prozesse verstehen, die sich in ihnen abspielen», erklärt Xiaohan Wu, der die Untersuchungen im Rahmen seiner Promotion in der Forschungsgruppe Batteriematerialien und Diagnostik am Paul Scherrer Institut PSI durchführte.

Risse verbauen Ionen den Weg
Das Innere der untersuchten Feststoffbatterie besteht hauptsächlich aus dem festen Elektrolyten, einem Lithium- und Phosphor-Sulfid. Darin eingebettet sind kleine Zinnkugeln mit einem Durchmesser von etwa 30 Mikrometer, das ist halb so dick wie ein menschliches Haar. Wird die Batterie aufgeladen, lagern sich Lithium-Ionen in die Zinnkügelchen ein. Das Lithium zwängt sich dabei in die Gitterstruktur des Zinns. Das Volumen der Kugeln wächst und sie dehnen sich aus. Dadurch zerreisst das umliegende Elektrolytmaterial. Die entstehenden Risse behindern dann die Lithium-Ionen bei ihrer Bewegung durch den Elektrolyten, was die Leistungsfähigkeit des Feststoff-Akkus deutlich schmälert.

„Computertomografie“
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI ist es den Forschenden nun mit der sogenannten Operando Röntgentomografischen Mikroskopie gelungen, solche Prozesse während des Batteriebetriebs genau zu beobachten. «Die Methode funktioniert prinzipiell wie eine Computertomografie in einem Spital, jedoch ist beim Synchrotron am PSI der Photonenfluss um einige Grössenordnungen höher», erklärt Strahllinienwissenschaftlerin Federica Marone, die zur Methodenverfeinerung beigetragen hat und bei der Studie für die technische Umsetzung an der dafür genutzten SLS Strahllinie TOMCAT verantwortlich war. «Somit können wir die erforderliche räumliche und zeitliche Auflösung erreichen, um Prozesse innerhalb der Batterie während des laufenden Betriebs zu verfolgen.»

Zinnkügelchen dehnen sich bis zu 300% aus
Die Forschenden durchleuchteten die Batterie kontinuierlich während des Auf- und des Entladens. Anhand der Aufnahmen erkannten sie, dass sich die Zinnkügelchen um bis zu 300 Prozent ausdehnen. Ausserdem konnten sie nachvollziehen, wie sich die Risse im Elektrolyten ausbreiten. «Wir hatten nicht erwartet, dass sich die Risse so ausbreiten, dass sie die Lithium-Ionen auf ihrem Weg durch die Batteriezelle genau queren», so Xiaohan Wu. Dadurch müssen die Ionen extreme Umwege zurücklegen, was den Lade- und Endladeprozess sehr stark hemmt.

Das Material heilt sich selbst
Die Forschenden stellten zudem fest, dass sich die Batterie beim Entladen quasi selbst repariert. Wenn die Lithium-Ionen wieder aus den Zinnkugeln herauswandern, schliessen sich die Risse im umliegenden Elektrolyten wieder. «Der Feststoffelektrolyt ist elastisch, dadurch kann er sich selbst wieder heilen», erklärt Wu. In einem nächsten Forschungsschritt geht es nun darum, mit der Untersuchungsmethode andere Elektrolytmaterialien zu finden, die weniger stark auf die Ausdehnung der Zinnkugeln reagieren.

«Die Ergebnisse der aktuellen Studie, geben der Automobilindustrie wichtige Hinweise für die Entwicklung robuster und leistungsfähiger Feststoffbatterien», so Wu. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Forschenden jetzt im Fachjournal Advanced Energy Material.

Text: Paul Scherrer Institut / Christina Bonanati

0 Kommentare

Kommentar hinzufügen

Partner

  • Agentur Erneuerbare Energien und Energieeffizienz

Job-Plattform

Suchen Sie einen Mitarbeitenden 
oder eine Stelle? 
Bei uns sind Sie richtig!

Hier geht's weiter >>

Aktuelle Jobs

Solarberater Nordwestschweiz 100% (m/w)

Die AGROLA AG ist eine Tochtergesellschaft der fenaco Genossenschaft und ein führender Energieanbieter in der Schweiz. Das umfangreiche Angebotsportfolio umfasst den Energiehandel mit fossilen Bre...

Ist Ihr Unternehmen im Bereich erneuerbare Energien oder Energieeffizienz tätig? Dann senden sie ein e-Mail an info@ee-news.ch mit Name, Adresse, Tätigkeitsfeld und Mail, dann nehmen wir Sie gerne ins Firmenverzeichnis auf.

Newsletter abonnieren

Follow us

In order to provide the best quality for you, our system uses "cookies", which are stored on your device. Cookies are necessary to identify what information (job advertisement, questionnaire, etc) you have already seen. IP address is used for the same purposes as described above.

When creating a profile, applying to the newsletter, job subscriptions and etc, you agree that the data, which you have entered, will be stored and processed in the system in order to provide services, which you have applied for.

We do NOT sell your personal data to any 3rd party services.

You must be 18 or older years old to use our services. If you are underage, you must have a permission to use our services from your parent or guardian. It is necessary in order to store and process your data.

By continuing to use our services, you agree with the these terms. You can withdraw your agreement at any time, by deleting cookies from your device and by sending request for deleting your data to the administrator.

Close