Nanopartikel in Lithium-Schwefel-Akkus mit Neutronen aufgespürt
Diese am HZB selbstentwickelte Messzelle ermöglicht es, die Batteriezelle in "operando" zu analysieren. © S. Risse/HZB
Ein HZB-Team hat erstmals mit Hilfe von Neutronenexperimenten präzise analysiert, wie und wo sich Nanopartikel aus Lithiumsulfid und Schwefel im Lauf der Ladezyklen an den Batterie-Elektroden abscheiden. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus zu erhöhen. Lithium-Schwefel-Akkus gelten als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Energiespeichern. Sie besitzen eine theoretische gravimetrische Energiedichte, die fünfmal höher ist als die der derzeit besten Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Und sie funktionieren sogar bei Minusgraden bis -50 °C. Außerdem ist Schwefel preiswert und umweltfreundlich. Allerdings sinkt bislang mit jedem Lade-Entladezyklus die Kapazität stark ab, sodass solche Batterien noch nicht langlebig sind.
Kapazitätsverlust durch Reaktionsprodukte
Der
Kapazitätsverlust wird durch komplizierte Reaktionsprozesse an den
Elektroden im Inneren der Batteriezelle verursacht. Daher ist es
besonders wichtig, die Abscheidung und das Auflösen des Lade- (Schwefel)
und Entladeproduktes (Lithiumsulfid) genau zu verstehen. Während sich
Schwefel makroskopisch abscheidet und sich daher mit bildgebenden
Verfahren oder Röntgenbeugung sehr gut während des Zyklierens
untersuchen lässt, ist Lithiumsulfid aufgrund einer Partikelgröße im
sub-10-nm-Bereich nur schwer zu detektieren.
Neutronen zeigen, wo sich die Nanopartikel ablagern
Diesen
Einblick liefern nun erstmals Untersuchungen an der Neutronenquelle BER
II am HZB. Dr. Sebastian Risse hat mithilfe einer selbst entwickelten
Messzelle Lithium-Schwefel-Batterien während der Lade- und Entladezyklen
(operando) mit Neutronen durchleuchtet und zeitgleich weitere Messungen
(Impedanzspektroskopie) durchgeführt.
Dadurch
konnte er mit seinem Team das Auflösen und Abscheiden von Lithiumsulfid
während zehn Entlade/Ladezyklen sehr genau analysieren. Da Neutronen
stark mit Deuterium (schwerer Wasserstoff) wechselwirken, verwendeten
die Forscher in der Batteriezelle ein deuteriertes Elektrolyt, um die
beiden festen Produkte Schwefel und Lithiumsulfid sichtbar zu machen.
Überraschendes Ergebnis
Das
Fazit der Forscher: „Wir sehen, dass die Lithiumsulfid- oder
Schwefelabscheidungen nicht im Inneren der mikroporösen
Kohlenstoffelektroden stattfinden, sondern auf der äußeren Oberfläche
der Kohlenstofffasern“, sagt Risse. Diese Ergebnisse geben wertvolle
Hinweise für die Entwicklung besserer Batterieelektroden.
Die Studie ist publiziert in ACS Nano, (2019): Operando Analysis of a Lithium/Sulfur Battery by Small Angle Neutron Scattering. Sebastian Risse, Eneli Härk, Ben Kent and Matthias Ballauff