Grenzflächenreaktionen in Festkörperbatterien entschlüsselt
Leistungsstark, langlebig, temperaturbeständig und noch sicherer: Das Potenzial von Feststoffbatterien ist enorm. Technologie- und Marktreife können sie jedoch nur dann erreichen, wenn alle Mechanismen im Inneren der Zellen genau verstanden werden. Insbesondere an den Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt und Elektrode kommt es zu Reaktionen, die die Stabilität und Performanz der Batterien beeinflussen können. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des US-amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratory hat deshalb die Reaktionsmechanismen an genau diesen Grenzflächen detailliert untersucht.
Reaktionen an der Grenzfläche ungleich verteilt
Das Forschungsteam analysierte die Grenzfläche zwischen einem Feststoffelektrolyten auf Basis von Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphat (LAGP) und einer Kupferelektrode. „Mit der in operando Raman-Spektroskopie haben wir einen innovativen Ansatz gewählt, um die Prozesse innerhalb der Zellen exakt beobachten zu können“, sagt MEET Wissenschaftlerin Ineke Weich. Die Forscher*innen fanden dabei heraus, dass die Reaktionen an der Grenzfläche nicht gleichmäßig über die gesamte Fläche verlaufen, sondern sich auf lokale Hotspots konzentrieren – obwohl das LAGP homogen gemischt wurde. „Solche lokalen Inhomogenitäten können zu ungleichmäßigen Stromdichteverteilungen und der Bildung von Reaktionszentren führen. Diese können wiederum Zersetzungsreaktionen, Volumenänderungen und Rissbildung im Elektrolyten zur Folge haben, was die Performanz der Batterien stark beeinträchtigt“, erklärt Weich. Ein detailliertes Verständnis dieser Grenzflächenprozesse sei daher notwendig, um Strategien für eine erhöhte Stabilität und Lebensdauer von Festkörperbatterien zu entwickeln.
Für die Studie ist die Chemikerin nach Berkeley gereist, um mit den Kolleg*innen vor Ort arbeiten zu können. „Ich hatte die Möglichkeit, mein theoretisches Wissen in die Praxis umzusetzen und gleichzeitig neue Methoden, Technologien sowie Forschungsansätze kennenzulernen“, berichtet Weich von ihren Erfahrungen. „Im Ausland arbeiten zu können, hat nicht nur meine Forschung vorangetrieben, ich habe auch differenzierten Einblick in andere Kulturen, Denkweisen und Arbeitsstile gewonnen.“
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Ineke Weich und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, Dr. Andrew Dopilka und Prof. Dr. Robert Kostecki, Lawrence Berkeley National Laboratory, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Chemical Communications” veröffentlicht.