Um bessere Batterien zu bauen, müssen Sie sie in der Tat fangen

- Jul 26, 2017-

Dieser Artikel ist Teil einer Serie über die Zukunft der Batterien. Wie können wir die Batterien schaffen, die wir brauchen, um unsere Häuser, den Transport und die Industrie mit Energie zu versorgen, und was steht da im Weg ?


Die aufstrebenden Industrien, von der großen Energiespeicherung bis zum Elektroauto, benötigen länger haltbare Batterien. Aber um sie zu bauen, müssen wir viel mehr darüber wissen, was die Lebensdauer der Batterie begrenzt.

Mit neuen Werkzeugen können Forscher auf der Nanometerskala Batterien untersuchen, während sie in Betrieb sind. Dies hilft ihnen, interne Fehler zu identifizieren, die einen Batterieausfall auslösen können.

Fortgeschrittene Werkzeuge wie Elektronenmikroskope und Synchrotrone - eine sehr leistungsfähige Lichtquelle - ermöglichen es uns, Batterien während ihrer Verwendung zu betrachten. Auch Hochgeschwindigkeitskameras und -detektoren, Chip-Technologie und die Verarbeitung großer Datenmengen spielen eine Rolle.

Dieses aufstrebende Feld hat immer noch seine Hindernisse: Die hochenergetischen Röntgenstrahlen oder Elektronenstrahlen, die von diesen Werkzeugen verwendet werden, können den Batteriebetrieb stören, und typischerweise ist die Probengröße begrenzt, da sie in einen relativ kleinen Instrumentenraum passen muss.

Trotz der technischen Herausforderungen können uns diese Tools wichtige Einblicke in die aktuellen Grenzen der Batterietechnologie geben.

Wie können wir Batterien während des Betriebs betrachten?

Um zu verstehen, wie wir Batterien in Aktion betrachten, ist es wichtig, zuerst ihre Teile zu verstehen.

Jede Lithium-Ionen-Batterie hat zum Beispiel eine positive und eine negative Elektrode und einen Elektrolyten, der sie trennt. Dieser Elektrolyt, typischerweise ein flüssiges chemisches Gemisch, lässt eine elektrische Ladung (in Form von Lithiumionen) fließen. Lithiumionen diffundieren durch den Elektrolyten zwischen den Elektroden, abhängig davon, ob die Zelle geladen oder entladen wird.

Beim Betrachten von Batterien, die in Betrieb sind, ist es möglich, diese Prozesse im Nanobereich zu erkennen und Probleme mit den verwendeten Materialien zu erkennen. Im Labor wird häufig eine Knopfzellenbatterie zum Testen verwendet.

Eine Reihe von Werkzeugen kann verwendet werden, um Batterien auf diese Weise zu betrachten, aber Röntgen- und Elektronenmikroskopietechniken sind besonders vielversprechend.

Damit Forscher sehen können, was sich in einer Batterie befindet, muss der Abbildungsstrahl, ob Licht-, Röntgen- oder Elektronenstrahl, durch die Probe hindurchtreten. Denken Sie nur daran, dass das Licht eher gegen eine Wand als gegen ein Fenster schlägt: Wenn die Batterie zu dick ist, kann der Röntgen- oder Elektronenstrahl nicht eindringen.

Der Autor mit einer Knopfzelle zum Testen. Ruth Knibbe , Autor zur Verfügung gestellt

Herkömmliche Labor-Röntgenstrahlen haben eine niedrige Energie und Intensität und können daher nicht sehr tief in ein Material eindringen. Ein Röntgenstrahl von einem Synchrotron hat jedoch eine wesentlich höhere Energie und ermöglicht eine tiefere Penetration.

Synchrotrone sind jedoch typischerweise sehr große Einrichtungen, die schwierig zu bedienen und zugänglich sind.

Ein üblicheres Instrument ist das Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Ein TEM ist ein Mikroskop, das im Gegensatz zu einem herkömmlichen Mikroskop einen Elektronenstrahl anstelle eines Lichtstrahls verwendet. Der Elektronenstrahl kann eine Vergrößerung von mehr als einer Million Mal ermöglichen.

Wenn jedoch ein Elektronenstrahl durch die Luft geleitet würde, würde er sich beträchtlich verstreuen und Sie würden nichts sehen können. Aus diesem Grund erfordert der Betrieb eines TEM ein sehr hohes Vakuum, wodurch der Elektronenstrahl leicht passieren kann.

Leider stellt dies eine weitere Herausforderung für die Forscher dar: Das Vakuum macht die Aufnahme eines flüssigen Elektrolyten (in vielen Standardbatterien vorhanden) unmöglich, da die Flüssigkeit wahrscheinlich verdampfen würde.

Kürzlich wurden neue TEM-Halter entwickelt, die es ermöglichen, das Batteriematerial und den flüssigen Elektrolyten zwischen zwei elektronen-durchlässigen Fenstern einzuschließen, sowie den Strom, der durch das Batteriematerial geleitet wird.

Dies ermöglicht es, ein Bild mit sehr hohen Vergrößerungen während des Betriebs der Batterie zu erzeugen.

Welche Batterieprobleme suchen wir?

Diese neue Art der Batterieforschung ist notwendig, um die Fehler in Batterien zu beheben.

Von besonderer Bedeutung sind die Bedingungen, die ein Lithium-Dendrit-Wachstum ermöglichen.

Lithiumdendriten sind mikroskopisch kleine baumartige Strukturen, die aus einer Lithiumelektrode wachsen können und die Zelle möglicherweise kurzschließen. Dieser Prozess kann sogar einen Batteriebrand verursachen, und das Problem behindert die Verwendung von leistungsstarken Lithiumelektroden.

Vorarbeiten haben gezeigt, dass es möglich ist, das dynamische Wachstum von Lithiumdendriten in einem TEM abzubilden.

Zwei rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, wie ein traditioneller Elektrolyt Dendritenwachstum verursachen kann (links), während ein neuer Elektrolyt stattdessen das Wachstum von glatten Knötchen bewirkt, die Batterien nicht kurzschließen (rechts). Pazifisches nordwestliches Laboratorium / Flickr, CC BY

Eine Degradation kann auch in Lithiumionenbatterien durch Spannungen auftreten, die durch große Volumenänderungen eingeführt werden, wenn Lithiumionen absorbiert und freigesetzt werden, Elektrodenkomponenten sich in dem Elektrolyten auflösen und Langzeitkorrosionsprobleme auftreten.

Diese Probleme werden derzeit nur wenig verstanden, aber die Bildgebung im Nanobereich wird uns helfen, das Batteriedesign zu verbessern.

Unsere Vision ist es, die Beobachtung neuer Batteriesysteme unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu erleichtern. Auf diese Weise können wir die Herausforderungen verstehen, die langlebige Batteriesysteme mit sich bringen .