Lithiumabscheidungen in Zero-Excess-Lithium-Metall-Batterien erstmals mittels Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie untersucht

Zero-Excess-Lithium-Metall-Batterien (ZELMB) sind durch ihren Aufbau dünner und leichter als normale Lithium-Metall-Batterien, sodass sie – je nach Auslegung – eine höhere Energiedichte aufweisen können. Sie besitzen daher das Potenzial einer Hochleistungsbatterie der Zukunft. Zum jetzigen Entwicklungsstand ist jedoch noch viel Forschungsarbeit notwendig, insbesondere auf dem Gebiet der Lithium-Abscheidungsprozesse in der Zelle. In einer gemeinsamen Studie haben Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich nun das Abscheidungsverhalten von Lithium in einer maßgeschneiderten porösen Kupfer-Mikroschaum-Elektrode untersucht.

Abscheidung in kompakteren Strukturen mit höherer Dichte festgestellt

„Die bisherige Forschung hat gezeigt, dass die Nutzung poröser Abscheidungssubstrate in ZELMBs die Leistung verbessern kann. Es wurde aber kaum untersucht, wie genau es dazu kommt“, erklärt MEET Wissenschaftler Tjark Ingber den Forschungsansatz.

In ihrer Arbeit konnten die Forschenden nun darlegen, dass sich auf dem Kupfer-Mikroschaum Lithium in kompakteren Strukturen mit höherer Dichte abscheidet und dabei wesentlich weniger Oberfläche bedeckt als bei einer vergleichbaren Abscheidung auf Kupferfolie. 

Einzigartige Aufnahmen mittels Ionenstrahl-Rasterelektronen-Mikroskopie

Im Fokus der Untersuchung stand insbesondere die anfängliche Lithium-Abscheidung in den unter der Oberfläche liegenden und dadurch von außen nicht sichtbaren Poren. Durch tiefkaltes Ionenstrahlschneiden (cryo-FIB) wurden diese Strukturen freigelegt und anschließend hochaufgelöst mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) abgebildet. Diese Aufnahmen sind bisher einzigartig in der Forschung zu Zero-Excess-Lithium-Metall-Batterien.

Detaillierte 3D-Stromdichtesimulationen zeigen, wie sich der für die Lithium-Abscheidung angelegte Strom in einem porösen Substrat verteilt. Dank dieser Erkenntnisse konnten die Wissenschaftler*innen einen Mechanismus formulieren, der die Abscheidung erklärt. „Mit diesen Ergebnissen ebnen wir den Weg, neuartige poröse Substrate entwickeln zu können, die die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer von Zero-Excess-Lithium-Metall-Zellen weiter verbessern“, so Ingber.

Gesamte Studie online verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Tjark T. K. Ingber, Marlena M. Bela, Frederik Püttmann, Jan F. Dohmann und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Dr. Marian C. Stan und Dr. Peter Bieker, Helmholtz-Institut Münster, und Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Journal of Materials Chemistry A der Royal Society of Chemistry veröffentlicht.