Forschungsreaktor München II
Mit Neutronen ins Innere von Lithium-Ionen-Zellen geschaut
Um zu klären, wie es bei Lithium-Ionen-Zellen zum kurzschlussverursachenden Lithium-Plating kommt, muss man Batteriezellen zerstörungsfrei untersuchen. Die Neutronenstrahlen des Münchner Forschungsreaktors FRM II erlauben den zerstörungsfreien Blick in das Batterieinnere.
»Ein Lithium-Ionen-Akku kann das Drei- bis Vierfache an Energie speichern im Vergleich zu einem gleich großen Nickel-Cadmium-Akku«, erklärt Dr. habil. Ralph Gilles, Wissenschaftler an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM. Diese Energiedichte kann aber auch gefährlich werden, wenn es zu einem Kurzschluss kommt.
Zu diesem kann es durch das bisher nicht näher geklärte Phänomen des Lithium-Plating kommen. Dabei wandern Lithium-Ionen nicht wie gewünscht zwischen Kathode (Pluspol aus Lithium-Metall-Oxid) und Anode (Minuspol aus Graphit) der Batterie, sondern bilden metallisches Lithium. Dieses Lithium-Plating kann zum Kurzschluss führen und ist sehr leicht entflammbar.
Bislang war es nicht möglich, den Mechanismus des Lithium-Platings genau zu beobachten. Wird die Batterie geöffnet, kann immer nur eine Momentaufnahme des Zustands beobachtet werden, wobei sich die Menge des metallischen Lithiums laufend ändert. Mithilfe von Neutronenstrahlen konnten die Wissenschaftler Dr. Veronika Zinth von der Forschungs-Neutronenquelle FRM II und Christian von Lüders vom Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik die Prozesse in der Batterie live beobachten, ohne diese aufzuschneiden. »Im Vergleich zu anderen Methoden kann man mittels Neutronendiffraktion genauere Aussagen treffen, wann wie stark das Lithium-Plating auftritt«, erklärt Veronika Zinth.
Die Messungen am Materialforschungsdiffraktometer STRESS-SPEC am FRM II haben ergeben, dass sich desto mehr metallisches Lithium bildet, je schneller eine Zelle geladen wird. Bis zu 19 Prozent der normalerweise am Lade- und Entladeprozess beteiligten Lithium-Ionen liegen dabei als metallisches Lithium vor. Dieser Prozess ist teilweise über einen längeren Zeitraum reversibel, aber nicht vollständig. In weiteren Versuchen soll jetzt bestimmt werden, wie schnell Zellen maximal zu laden sind, ohne dass das Lithium-Plating auftritt.
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