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Batterien sind in vielen Geräten zu finden. Die Entwicklung von Feststoffbatterien, die eine höhere Betriebsspannung bieten, eine höhere Kapazität haben und nicht mehr brennen können, ist Gegenstand aktueller Forschung. Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und japanischer Universitäten haben nun Raumladungseffekte in solchen Batterien untersucht, die sowohl beim Laden als auch beim Entladen zusätzlichen Widerstand verursachen. Mit mikroskopischen Methoden konnten sie erstmals die räumliche Ausdehnung und den daraus resultierenden Widerstand dieser Raumladungszone bestimmen
Ob in der E-Mobilität oder in stationären Speichern: Feststoffbatterien versprechen mehr Speicherkapazität und mehr Sicherheit. Denn sie verwenden keinen flüssigen Elektrolyten mehr, sondern einen festen. Sie können daher nicht auslaufen, und auch die bei heutigen Batterien immer wieder diskutierte Brandgefahr ist quasi nicht mehr vorhanden.
Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) und japanischer Universitäten haben nun mit einer in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlichten Studie die Möglichkeit eröffnet, Feststoffbatterien leistungsfähiger zu machen. „Eine Batterie ist eine Art Pumpe“, erklärt Rüdiger Berger, Gruppenleiter am MPI-P. „Im Inneren bewegen sich Ionen, also geladene Atome, was außen durch einen Elektronenfluss und damit einen Stromfluss ausgeglichen werden muss.“ Wenn die Ionen in der Batterie wandern, kann an den inneren Grenzflächen der Batterie eine sogenannte Raumladungsschichten entstehen. Diese stoßen die anderen wandernden Ionen ab. Diese Ladungsschicht erzeugt zusätzlichen Widerstand und damit Verluste innerhalb der Batterie – sie behindert sowohl den Lade- als auch den Entladevorgang. Wie das Mainzer Team nun herausgefunden hat, tritt der Effekt vor allem an der positiven Elektrode auf, wo sich eine weniger als 50 Nanometer dicke Ladungsschicht bildet – so dünn wie der dünnste Teil einer Seifenblase. Darüber hinaus haben sie quantitativ festgestellt, dass die Raumladungsschicht dynamisch ist, das heißt, sie hängt vom Ladezustand der Batterie ab. Diese Raumladungsschicht macht etwa 7 % des Gesamtwiderstands der Batterie aus, kann aber – je nach den für den Elektrolyten verwendeten Materialien – auch größer sein.
Bislang war wenig über die Größe dieser Ladungsschicht und ihren Einfluss auf den Stromfluss bekannt. Verschiedene Forschungsteams weltweit haben diesen Effekt bereits in früheren Studien untersucht, kamen jedoch je nach verwendeter Methode zu völlig unterschiedlichen Größenordnungen für die Dicke der Ladungsschicht.
Das internationale Team um Berger untersuchte daher erstmals mit zwei mikroskopischen Methoden, wo und wie sich die Ladeschicht bildet. Die Herausforderung bestand darin, die Grenzschicht einer Modellbatterie mit mikroskopischen Methoden im quasi laufenden Betrieb und bei unterschiedlichen Ladezuständen zu untersuchen.
Dazu bauten sie eine Dünnschicht-Modellbatterie und untersuchten sie mit Hilfe der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie und der Nuclear Reaction Analysis. Mit Hilfe der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie konnten sie den Querschnitt der Batterie – sozusagen eine aufgeschnittene Batterie – mit einer feinen Nadel abtasten, mehr über den lokalen Einfluss der Spannung erfahren und elektrische Potenziale in Echtzeit beobachten. Mit der Nuclear Reaction Analysis konnten sie die Anreicherung von Lithium an der Grenzfläche zum Pluspol der Batterie nachweisen.
„Beide Techniken sind neu in der Batterieforschung und können in Zukunft auch für andere Fragestellungen eingesetzt werden“, erklärt Taro Hitosugi von der Universität Tokio. Mit weiteren Untersuchungen hoffen die Forschenden, durch Modifizierung des Materials oder der Struktur der Elektrode einen Weg zu finden, den Widerstand zu verringern und die Leistung von Feststoffbatterien weiter zu steigern.
Dr. Rüdiger Berger
berger@mpip-mainz.mpg.de
Chao Zhu, Shigeru Kobayashi, Yuki Sugisawa, Franjo Weber, Kun-Han Lin, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Daiichiro Sekiba, Taro Hitosugi, and Rüdiger Berger
Space Charge Layer Evolution in All-Solid-State Batteries Probed via Operando Kelvin Probe Force Microscopy and Nuclear Reaction Analysis
ACS Nano 2025 19 (45), 39062-39075
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.5c10125
Forschende haben die innerhalb einer Lithium-Batterie entstehende Raumladungszone genauer untersucht ...
Copyright: © MPI-P
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Elektrotechnik, Energie, Physik / Astronomie
überregional
Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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