In kommerzielle Batterien „hineinschauen“

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Kontrolle und Untersuchung der Chemie einer Batterie entscheidend für Verbesserungen des Aufbaus

Ein multidisziplinäres Forschungsteam, an dem Wissenschaftler des Collège de France, des CNRS, der Université Rennes 1 und der Université de Montpellier beteiligt waren, hat eine Methode entwickelt, mit der die Entwicklung der Chemie im Inneren einer Batterie live und während ihrer zahlreichen Lade- und Entladevorgänge verfolgt werden kann. Diese am 07.11.2022 in Nature Energy vorgestellte Technologie ebnet den Weg für die Verbesserung der Leistung und des Designs zukünftiger Batterien.

Batterien aktuell – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Batterien können Energie in chemischer Form speichern: Beim Laden erzwingt der Strom chemische Reaktionen, und die Energie wird gespeichert, beim Entladen führt eine spontane elektrochemische Reaktion zu einer umgekehrten Elektronenbewegung im System. Die Energie wird freigesetzt, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.

Kontrolle und Untersuchung der Chemie einer Batterie sind daher entscheidend für das Verständnis ihrer Funktionsweise, aber auch für die Verbesserung ihres Designs. Im Labor ist das kein Problem, schwieriger wird das bei in Systemen eingebauten Batterien. Ein multidisziplinäres Forschungsteam unter Leitung von Wissenschaftlern des Labors Chimie du solide et de l’énergie (CNRS/Collège de France/Sorbonne Université) hat nun eine Methode entwickelt, mit der die Entwicklung der Chemie einer handelsüblichen Batterie während des Ladens oder Entladens live verfolgt werden kann.

Die in Nature Energy veröffentlichte Technologie beruht auf dem Transport von Infrarotlicht in optischen Fasern aus Chalkogenidglas, die durch eine Batterie gelegt werden. Durch die Wechselwirkung dieses Lichts mit den Bestandteilen der Batterie können in der Umgebung der Faser befindliche Moleküle identifiziert und verfolgt werden.

Die Forscher konnten so die Entwicklung der Elektrolyte sowie die Einfügung/Entfernung von Natrium-Lithium-Ionen in die Elektroden in Abhängigkeit von der Ladung beobachten. Und das zum ersten Mal, während sie in Gebrauch war. Mit diesem System konnten die Wissenschaftler auch die Grenzfläche zwischen dem Elektrolyt und dem Material der negativen Elektrode, die sogenannte Solid electrolyte interphase (SEI), untersuchen. Diese  sowohl ionenleitende als auch elektronenisolierende Schicht bestimmt die Lebensdauer der Batterie. Das Team konnte insbesondere die Art der chemischen Spezies, die an der Nukleation und dem Wachstum der SEI beteiligt sind, die beim allerersten Aufladen einer Batterie entsteht, in situ verfolgen.

Aus praktischer Sicht ebnen diese Ergebnisse den Weg für ein einfacheres und besseres Batteriedesign. Derzeit ist die Optimierung von Elektrolyten und Ladeprotokollen ein langwieriges Unterfangen, um die beste Option für eine ideale SEI zu finden und so die Lebensdauer einer Batterie zu verbessern. Mit dieser neuen, bahnbrechenden Methode ist es möglich, schnell und genau zu sehen, wie sich jedes Element der Rezeptur entwickelt, mit den anderen interagiert und die Leistung der Batterie beeinflusst. Das Forschungsteam setzt seine Arbeit fort und konzentriert sich dabei auf die SEI und hofft, alle ihre Geheimnisse enthüllen zu können.

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