Risse verbauen Ionen den Weg

Das Innere der untersuchten Feststoffbatterie besteht hauptsächlich aus dem festen Elektrolyten, einem Lithium- und Phosphor-Sulfid. Darin eingebettet sind kleine Zinnkugeln mit einem Durchmesser von etwa 30 Mikrometer, das ist halb so dick wie ein menschliches Haar. Wird die Batterie aufgeladen, lagern sich Lithium-Ionen in die Zinnkügelchen ein. Das Lithium zwängt sich dabei in die Gitterstruktur des Zinns. Das Volumen der Kugeln wächst und sie dehnen sich aus. Dadurch zerreisst das umliegende Elektrolytmaterial. Die entstehenden Risse behindern dann die Lithium-Ionen bei ihrer Bewegung durch den Elektrolyten, was die Leistungsfähigkeit des Feststoff-Akkus deutlich schmälert.

An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI ist es den Forschenden nun mit der sogenannten Operando Röntgentomografischen Mikroskopie gelungen, solche Prozesse während des Batteriebetriebs genau zu beobachten. «Die Methode funktioniert prinzipiell wie eine Computertomografie in einem Spital, jedoch ist beim Synchrotron am PSI der Photonenfluss um einige Grössenordnungen höher», erklärt Strahllinienwissenschaftlerin Federica Marone, die zur Methodenverfeinerung beigetragen hat und bei der Studie für die technische Umsetzung an der dafür genutzten SLS-Strahllinie «Tomcat» verantwortlich war. «Somit können wir die erforderliche räumliche und zeitliche Auflösung erreichen, um Prozesse innerhalb der Batterie während des laufenden Betriebs zu verfolgen.»

Die Forschenden durchleuchteten die Batterie kontinuierlich während des Auf- und des Entladens. Anhand der Aufnahmen erkannten sie, dass sich die Zinnkügelchen um bis zu 300 Prozent ausdehnen. Ausserdem konnten sie nachvollziehen, wie sich die Risse im Elektrolyten ausbreiten. «Wir hatten nicht erwartet, dass sich die Risse so ausbreiten, dass sie die Lithium-Ionen auf ihrem Weg durch die Batteriezelle genau queren», so Xiaohan Wu. Dadurch müssen die Ionen extreme Umwege zurücklegen, was den Lade- und Endladeprozess sehr stark hemmt.

Die Forschenden stellten zudem fest, dass sich die Batterie beim Entladen quasi selbst repariert. Wenn die Lithium-Ionen wieder aus den Zinnkugeln herauswandern, schliessen sich die Risse im umliegenden Elektrolyten wieder. «Der Feststoffelektrolyt ist elastisch, dadurch kann er sich selbst wieder heilen», erklärt Wu. In einem nächsten Forschungsschritt geht es nun darum, mit der Untersuchungsmethode andere Elektrolytmaterialien zu finden, die weniger stark auf die Ausdehnung der Zinnkugeln reagieren.

«Die Ergebnisse der aktuellen Studie, geben der Automobilindustrie wichtige Hinweise für die Entwicklung robuster und leistungsfähiger Feststoffbatterien», so Wu. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Forschenden jetzt im Fachjournal Advanced Energy Material.