Neu entwickelte Analysemethode erfasst Ladungszustände auf Partikelebene
Schon mikroskopisch kleinste Änderungen auf Partikelebene beeinflussen die Performanz des Makrosystems Batteriezelle. Um die Ladungszustände einzelner Partikel von Lithiumübergangsmetalloxiden in der Kathode erfassen zu können, hat ein Wissenschaftsteam des MEET Batterieforschungszentrums um Till-Niklas Kröger eine neue Charakterisierungstechnik entwickelt. Mittels optischer Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma lassen sich nun selbst komplexe, mikroskopisch kleinste Veränderungen der Ladungszustände direkt messen.
Veränderte Ladungszustände direkt messbar
„Untersuchungen auf Partikelebene waren bisher nur mit sehr aufwendigen und komplexen Analysemethoden wie beispielsweise Synchrotron-basierten Techniken möglich“, sagt MEET Forscher Till-Niklas Kröger. Diese seien einerseits nur in wenigen Forschungseinrichtungen verfügbar, zudem werden primär die Oxidationsstufenverteilungen der Übergangsmetalloxide erfasst, in erster Linie die von Nickel. „Veränderungen der Nickel-Oxidationsstufen deuten jedoch nicht immer auf Veränderungen des Lithiumgehalts hin“, erklärt Kröger.
Mit der am MEET Batterieforschungszentrum neu entwickelten Methode lässt sich nun der Lithiumgehalt auf Partikelebene direkt erfassen. Auf dieser Basis können anschließend die Ladungszustände ermittelt werden. Eine mögliche Ursache für veränderte Ladungszustände auf Partikelebene sind lokale strukturelle Veränderungen. Hervorgerufen werden sie zum Beispiel durch hohe C-Raten, also hohe Lade- und Entladeströme, bei denen Partikel zerbrechen können. Indem die Diffusionswege des Lithiums beeinflusst werden, kommt es zu unterschiedlichen Ladungszuständen. „Bereits kleinste lokale Abweichungen in elektrochemischen Prozessen können die Performanz der gesamten Batteriezelle verringern“, erklärt Kröger die Relevanz. Die neue Charakterisierungstechnik liefert nun Erkenntnisse, um hier anzusetzen.
Original-Publikation online verfügbar
Die detaillierten Forschungsergebnisse haben die MEET Wissenschaftler Till-Niklas Kröger, Dr. Simon Wiemers-Meyer, Patrick Harte, Prof. Dr. Martin Winter, und Dr. Sascha Nowak in dem Fachmagazin „Analytical Chemistry“ veröffentlicht. Die Publikation ist online mit entsprechendem Zugang verfügbar.