Forschungszentrum Jülich Lithium-Plating mit ESR-Spektroskopie beobachten

Asien sichert sich die Vormacht am Batterie-Markt
Neuer Blick ins Innere von Lithium-Ionen-Batterien.

Dem Forschungszentrum Jülich ist es gelungen, Lithium-Plating in Echtzeit zu beobachten. Sie greifen dabei auf die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie und eine von der TU München entwickelte stiftförmige Batterie zurück.

Im September letzten Jahres meldete die TU München, erstmals den Mechanismus des Lithium-Plating sozusagen in Echtzeit überwachen zu können – bisher musste dafür die Batterie aufgebrochen werden. Lithium-Plating entsteht bei Laden von Lithium-Ionen-Akkus. Die Kathode eines Li-Akkus enthält Lithium-Metalloxide und ist durch eine ionendurchlässige Trennschicht von der Anode aus Graphit getrennt. Die Graphit-Anode weist eine Schichtstruktur auf und in diese Schichten lagern sich während des Ladens Lithium-Ionen ab. Es kann jedoch vorkommen, dass sich die Lithium-Ionen nicht in die Anode einlagern, sondern metallisches Lithium bilden, welches sich an der Anode anlagert - »Lithium-Plating«.

Das angelagerte metallische Lithium steht in der Regel nicht mehr für den Ladeprozess zur Verfügung – die Speicherkapazität sinkt. Zudem können diese Ablagerungen einen Kurzschluss herbeiführen oder Schutzschichten durchbrechen und somit zum Zerstören des Akkus führen.

ESR-Spektroskopie ermöglicht Blick ins Innere der Batterie 

Mit Hilfe der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie können die Jülicher Wissenschaftler nun ebenfalls ins Innere der Batterie sehen und den Vorgang beobachten. Dr. Josef Granwehr vom Forschungszentrum Jülich: »Mit der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie haben wir ein neues Verfahren gefunden, mit dem wir in Echtzeit mitverfolgen können, wie sich das poröse Lithium an der Anode bildet und teilweise auch wieder abgetragen wird. Mit den gängigen Methoden ließen sich bisher nur einzelne Schnappschüsse erstellen, indem die Vorgänge unterbrochen und die Zellen zu bestimmten Zeitpunkten geöffnet wurden.« 

Um dieses Phänomen beobachten zu können, greifen die Jülicher Forscher auf eine spezielle, stiftförmige Batteriezelle der TU München zurück. Die Münchner Wissenschaftler haben die Batterie eigens für die Echtzeit-Messungen im EPR-Spektrometer entworfen.

Die ESR-Spektroskopie ist verwandt mit der Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR). Im Gegensatz dazu werden bei der ESR-Spektroskopie jedoch die nicht die Kerne der Atome, sondern die äußeren Leitungs-Elektronen durch elektromagnetische Wellen angeregt. Granwehr erläutert: »Mittels Elektronenspinresonanz lassen sich insbesondere feine Oberflächenstrukturen und dünne Schichten sehr gut erfassen. Das liegt zum einen daran, dass sich die Elektronen sehr gut anregen lassen, stärker als die vergleichsweise schweren Atomrümpfe bei der Kernspinresonanz. Zum anderen wird mit deutlich kleineren Wellenlägen im Mikrowellenbereich gearbeitet, die nicht so tief in das Lithium eindringen.«

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift »Energy & Environmental Science« der Royal Society of Chemistry.