Solide

Festkörper-Lithium-Schwefel-Batterien bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien das Potenzial für deutlich höhere Energiedichten und mehr Sicherheit.

Allerdings mangelt es derzeit an der Leistung von Festkörperbatterien, wobei langsames Laden und Entladen eine der Hauptursachen ist. Eine neue Studie des Helmholtz Zentrums Berlin (HZB) zeigt nun, dass der träge Lithiumionentransport innerhalb einer Verbundkathode die Ursache für dieses langsame Laden und Entladen ist, sagen die Forscher in einer Pressemitteilung.

Die Wissenschaftler entwickelten eine spezielle Zelle, um den Transport von Lithium-Ionen zwischen der Anode und der Kathode in einer Festkörper-Lithium-Schwefel-Batterie zu beobachten. Da sich Lithium mit Röntgenmethoden kaum nachweisen lässt, untersuchten die HZB-Physiker Dr. Robert Bradbury und Dr. Ingo Manke die Probenzelle mit Neutronen, die äußerst empfindlich auf Lithium reagieren.

„Wir haben jetzt eine viel bessere Vorstellung davon, was die Batterieleistung einschränkt“, sagt Bradbury: „Wir sehen aus den Daten der Operando-Neutronenradiographie, dass es eine Reaktionsfront von Lithiumionen gibt, die sich durch die Verbundkathode ausbreitet, was den negativen Einfluss eines schwach wirksamen Ions bestätigt.“ Leitfähigkeit." Darüber hinaus zeigen die 3D-Neutronentomographiebilder eingeschlossenes Lithium, das sich während des Aufladens in der Nähe des Stromkollektors konzentriert. „Dies führt zu einer verringerten Kapazität, da beim Laden der Batterie nur ein Teil des Lithiums zurücktransportiert wird“, fährt Bradbury fort.

Die beobachtete Lithiumverteilung passte hervorragend zu einem Modell, das auf der Theorie poröser Elektroden basiert: „Was wir hier in den Neutronenbilddaten beobachten, korreliert gut mit den relevanten elektronischen und ionischen Leitfähigkeitsbedingungen aus dem Modell“, sagt Bradbury.

Diese Ergebnisse offenbaren einen bisher übersehenen Entwicklungsengpass bei Festkörperbatterien und zeigen, dass bei den Kathodenverbundwerkstoffen aufgrund des langsamen Ionentransports Einschränkungen bestehen. Die Herausforderung besteht nun darin, eine schnellere Ionenabgabe innerhalb des Kathodenverbunds zu ermöglichen. „Ohne direkte Visualisierung der Reaktionsfront innerhalb des Kathodenverbunds wäre dieser Effekt möglicherweise unbemerkt geblieben, trotz seiner Bedeutung für die Entwicklung von Festkörperbatterien“, sagt Bradbury.

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