Links: Detektor für Synchrotrontomographie an der BAMline am BESSY II, rechts: Gebildetes Kupferkristallit in einem Kupfersulfidpartikel. Durch die Volumenausdehnung entstehen Risse im umliegenden Festkörper.
Quelle: Henning Markötter, Kang Dong.
Festkörperbatterien (SSBs; Eng: Solid-State-Batteries) gelten als eine vielversprechende zukünftige Batterietechnologie. Denn im Vergleich zu den derzeit eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien, die in Mobilgeräten und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, versprechen SSBs eine noch höhere Energiedichte und vor allem eine höhere Sicherheit. Denn es wird auf hochentzündliche flüssige Elektrolyte verzichtet und auf einen Feststoff gesetzt, so dass die gesamte Batterie nur aus "festen Materialien" besteht. Um eine solche Batterie herzustellen, müssen Anode, Kathode und Feststoffelektrolyt unter hohem Druck zusammengepresst werden.
Nun ist es einem Team um Prof. Philipp Adelhelm und Dr. Ingo Manke sowie Dr. Henning Markötter gelungen, beim Laden und Entladen einer Festkörperbatterie hochauflösende 3D-Bilder an der BAMline zu erstellen. Dabei zeigte sich, dass einer Rissbildung durch die Anwendung von hohem Druck auf die Materialien entgegnet werden kann. Forscher vom Helmholtz-Zentrum Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und dem Helmholtz-Zentrum Hereon beobachteten die Vorgänge innerhalb einer solchen Festkörperbatterie beim Laden und Entladen. Die Arbeitsgruppen untersuchten das Verhalten von Kupfersulfid als Kathode in einer Festkörperbatterie. Als Anode wurde Lithium verwendet. Bei der Entladung bilden sich große Kupferkristallite in den Kupfersulfidpartikeln. Mit Hilfe hochaufgelöster Synchrotron-Röntgentomographie an der BAMline wurde diese Kristallitbildung im Detail untersucht. Dort ist es möglich, die Lade- und Entladereaktion in 3D abzubilden und erstmals die Veränderungen der Kathodenpartikel innerhalb der Batterie zu verfolgen. Es zeigte sich, dass eine Volumenausdehnung Risse in umliegende Bereiche induziert, welche aber durch höheren Druck wirksam reduziert werden.
Diese aufwändigen Messungen sind nicht zuletzt durch ein Detektorupgrade an der BAMline möglich geworden, das es ermöglicht, komplette 3D-Aufnahmen in wenigen Minuten aufzunehmen. Somit lassen sich Vorgänge auch zeitaufgelöst in 3D untersuchen. Das ist auch für viele In-Situ Zug- und Druckversuche oder Hochtemperaturexperimente interessant. Die Arbeit erschien kürzlich in „Advanced Energy Materials“, einem renommierten Journal im Bereich energierelevanter Materialien.
Phase Transformation and Microstructural Evolution of CuS Electrodes in Solid-State Batteries Probed by in-situ 3D X-ray Tomography
Zhenggang Zhang, Kang Dong, Katherine A. Mazzio, André Hilger, Henning Markötter, Fabian Wilde, Tobias Heinemann, Ingo Manke, Philipp Adelhelm
veröffentlicht in Advanced Energy Materials (2022), DOI: 10.1002/aenm.202203143
BAM Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung
BAM Fachbereich Mikro-Zerstörungsfreie Prüfung (ZFP)