Zukunftsweisende elektrochemische Energiespeicherung

Startseite

Methoden

Die Forschung in dem Forschungsfeld Methoden konzentriert sich auf die Entwicklung und gezielte Anwendung ausgewählter Analysetechniken, um Reaktionswege und atomare Phänomene von Elektrodenmaterialien und Zellen sichtbar zu machen. Um lange Lebensdauern und einen sicheren Betrieb von Batterien zu garantieren, sind Detailkenntnisse über die beim Laden und Entladen ablaufenden Prozesse erforderlich. Diese können nur durch spezielle Untersuchungsmethoden erfasst werden, die dabei auch entsprechend weiter entwickelt werden. Analysiert werden sowohl voll funktionsfähige Forschungszellen als auch kommerziell verfügbare Batteriesysteme. Zur Untersuchung atomarer Prozesse setzen die Forscherinnen daher sensible Analysemethoden - teilweise unmittelbar während des Lade- und Entladevorgangs in Echtzeit - ein. Durch den Blick in das Innere einer Batterie - ohne deren Funktion dabei zu beeinträchtigen - können damit Materialveränderungen durch Ermüdung und Alterung erkannt und Schädigungsmechanismen exakt beobachtet werden. Auf Basis dieser Information können die Wissenschaftler des HIU danach gezielt Empfehlungen für die Materialentwicklung für leistungsstärkere und sichere Energiespeicher erstellen.

Mikroskopie

Materialien hochpräzise zu betrachten und deren Veränderung bei diversen Einflüssen in Echtzeit zu beobachten, ist eine Hauptaufgabe der Mikroskopie. Die Lichtmikroskopie wird verwendet, um Materialien im Inneren des Elektrolyten in Echtzeit zu untersuchen. Sie bietet die einzige Möglichkeit, Prozesse in Echtzeit in realistischen Umgebungen zu beobachten. Diese Technik wird beispielsweise für die Untersuchung der Lithiumabscheidung genutzt – unter vergleichbaren Bedingungen wie in realen Zellen.

Die Rasterelektronenmikroskopie ist ein vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung von Materialien mit hoher Auflösung. Bei Batterie-Materialien wird der Fokus auf luftempfindliche Materialien gelegt, die mit einem speziellen Transfersystem übertragen werden.

Transmissionselektronenmikroskopie

Die Elektronenmikroskopie wird über alle Forschungsgruppen und Disziplinen hinweg genutzt, um die Struktur von aktiven Batteriematerialien mit nanoskaliger bis atomarer Auflösung zu charakterisieren. Dazu wird eine Kombination aus direkt abbildenden Techniken für die 2D und 3D Strukturcharakterisierung in Kombination mit spektroskopischen Techniken für die chemische Charakterisierung der Materialien eingesetzt, um so eine umfassende Materialbeschreibung von der atomaren bis zur Mikrostruktur zu erhalten. Darüber hinaus werden auch die Strukturänderungen in miniaturisieren Batteriesystemen beim Lade- und Entladeprozess ortsaufgelöst abgebildet, um direkt Informationen zu den Reaktions- und Degradationsprozessen zu bekommen.

Spektroskopie

Spektroskopische Methoden benutzen die Absorption oder Streuung elektromagnetischer Wellen – zu denen auch Licht gehört –, um Rückschlüsse auf die Struktur der untersuchten Materialien zu ziehen. Zu den im HIU verwendeten spektroskopischen Methoden gehören die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), die Mössbauerspektroskopie und die Ramanstreuung.

Diffraktion

Röntgenbeugungsuntersuchungen werden im HIU sowohl am Synchrotron als auch mit Hilfe von Labordiffraktometern ausgeführt, wobei auch ein speziell für die Batterieforschung konzipiertes leistungsfähiges Labordiffraktometer zum Einsatz kommt. Mit dieser Technik ist die Aufklärung der vorliegenden Strukturen möglich und Phasenumwandlungen können während einer Lithiierung und Delithiierung im Detail untersucht werden. In Versuchen am Synchrotron werden in situ und ex situ Röntgenbeugungs- und Röntgenabsorptions-Messungen vorgenommen um die Struktur von Elektrodenmaterialien in Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen des HIU zu untersuchen. Die starke Wechselwirkung und der Streuungsquerschnitt der thermischen Neutronen mit Lithium und Sauerstoff macht Neutronenstrahlung zu einer idealen Sonde für Batteriematerialien. Mit Neutronenbeugung kann die Kristallstruktur der Anoden- und Kathodenmaterialien überwacht werden. Damit können Strukturänderungen während des Ladens und Entladens untersucht werden, und es können auch Strukturveränderungen bei der Alterung der Batterie festgestellt werden.

 

 

Mechanische Messungen

Während des Einlagerns und des Herausnehmens von Lithium bilden sich mechanische Spannungen in Elektrodenmaterialien. Diese Belastungen können zu Schäden führen und somit ist eine Messung dieser Spannungen hilfreich für die Beurteilung der Zuverlässigkeit des Materials. Ein effektiver Weg zur Durchführung solcher Experimente ist die Substratkrümmungsmethode, bei der ein dünner Film auf einem Träger – dem Substrat – betrachtet wird. Wenn der Film mechanische Spannungen erfährt, biegt sich der Verbund aus Elektrodenfilm und Substrat geringfügig durch. Durch Messen der Substratkrümmung können die Spannungen im Elektrodenfilm berechnet werden. Am HIU besteht die einzigartige Möglichkeit, solche Messungen auf der Grundlage von Partikelverbundelektroden durchzuführen wie sie in richtigen Batterien verwendet werden.