Erforschung von Vorgängen in Batterien

Um Batterien sicherer und länger haltbar zu machen, müssen die Prozesse in ihrem Inneren atomgenau verstanden werden. Tong Li will im Rahmen eines Consolidator Grants die Grundlagen dafür schaffen.

Berichte von explodierenden Handyakkus oder in Flammen stehenden Elektroautos erinnern immer wieder an die Gefahren von Batterien mit hohen Energiedichten. Für die Entwicklung von langlebigeren und sichereren Batterien fehlt es an Detailwissen über die elektrochemischen Prozesse im Inneren der Batterie, genauer gesagt an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt.

Diese Lücke möchte Prof. Dr. Tong Li schließen. Sie ist Professorin für Atomic-Scale Characterisation an der Ruhr-Universität Bochum und wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit einem Consolidator Grant ausgezeichnet.

Mit einer speziellen Methode, der Atomsondentomografie, kann die Bochumer Forscherin elektrochemische Prozesse mit atomarer Auflösung besser verstehen. Für ihr ERC-Projekt "Unveiling atomic-scale elemental distribution of electrode/electrolyte interfaces and interphase in batteries" erhält Tong Li rund 2,2 Millionen Euro für fünf Jahre. Die Arbeiten beginnen im Lauf des Jahres 2024.

Prozesse an der Grenzfläche Atom für Atom sichtbar machen

Lithium-Metall-Batterien besitzen zwei Elektroden, zwischen denen sich Lithium-Ionen durch eine Elektrolyt-Lösung bewegen. Entscheidend für die Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Batterie ist, was zwischen Elektrode und Elektrolyt passiert. Relevant dafür ist zum einen die Grenzfläche, also die Stelle, an der feste Elektrode und flüssiger Elektrolyt aufeinanderstoßen.

Zum anderen spielen aber auch sogenannte feste Elektrolyt-Zwischenphasen eine Rolle. Damit gemeint sind die physikalischen Zustände, welche im Bereich der Grenzfläche auftreten. "Wenn man die Stabilität der Grenzfläche und der Zwischenphasen kontrollieren kann, kann man Batterien deutlich sicherer und effizienter machen", sagt Tong Li.

Tong Li interessiert sich beispielsweise für das Phänomen der Dendriten-Bildung: Lithium-Ionen können sich an einer der Elektroden ablagern und verästelte Strukturen bilden, die den Elektrolyten durchziehen. Wachsen sie durch die Trennwand, die die Elektroden elektrisch voneinander separieren soll, bis zur Kathode, kommt es zum Kurzschluss.

Tong Li möchte im Rahmen des ERC-Grants untersuchen, wie die Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche und die Zwischenphasen die Lithium-Ablagerungen beeinflussen. "Wir wollen die Ablagerungen besser verstehen können, damit man sie verhindern kann", so die Materialforscherin. Für diese und weitere Untersuchungen von Materialien für die Energieumwandlung und -speicherung nutzt Tong Li die Atomsondentomografie. Damit kann sie einzelne Elemente identifizieren und ihre dreidimensionale Position im Material bestimmen.

Quelle: Universität Bochum