Forschung -

Lithiumionen-Batterien virtuell entrollen

Einerseits müssen Lithiumionen-Batterien eine möglichst große Elektrodenfläche aufweisen, um eine hohe Kapazität und Ladegeschwindigkeit zu erzielen. Andererseits sollen sie aber auch kompakt genug sein, um etwa in Smartphones zu passen. Daher wickelt man die Elektrodenplatten als Dünnschichten eng umeinander. Die innen liegenden Wicklungen waren bislang aber nur schwer quantitativ zu untersuchen.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und des University College London hat mithilfe von zwei komplementären Tomographieverfahren Alterungsprozesse in gerollten Lithiumionen-Batterien untersucht und ein mathematisches Modell für die inneren Wicklungen erstellt.

An der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble nutzten die Forscher Röntgengeräte, um die Mikrostruktur der Elektroden zu analysieren und nachzuweisen, welche Verformungen und Risse in den Ladezyklen entstehen. Zusätzlich führten sie Neutronentomographien durch, sowohl an der Neutronenquelle BER II des HZB als auch an den Instrumenten des Instituts-Laue Langevin in Grenoble, wo sie die erste Neutronen-Imaging-Messstation aufbauten. Damit ließ sich die Wanderung der Lithiumionen beobachten und feststellen, wie sich die Verteilung des Elektrolyten mit der Zeit verändert.

Mit einem neuen mathematischen Verfahren vom Zuse-Institut in Berlin konnten die Physiker daraufhin die Elektroden virtuell darstellen. So lassen sich Rückschlüsse auf Prozesse an einzelnen Schichten ziehen. Dr. Ingo Manke, Tomographieexperte am HZB, sagt: „Der Algorithmus war ursprünglich dazu gedacht, das Abrollen von Papyrus zu simulieren. Er eignet sich aber ebenso, Probleme bei gerollten Batterien zu analysieren.“

Die Studie soll sichtbar machen, wo und warum es zu Leistungsverlusten kommt. Beispielsweise zeigen die inneren Windungen eine ganz andere elektrochemische Aktivität als die äußeren. Aus den Neutronendaten geht hervor, in welchen Bereichen es zu einem Elektrolytmangel kommt, was die Funktionsfähigkeit des betroffenen Abschnitts stark einschränkt. Die Anode wird außerdem nicht überall gleich gut mit Lithium be- und entladen. Diese Erkenntnisse sollen dazu dienen, das Design von gerollten Batterien zu verbessern.

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