Die Bilder explodierter Smartphones dürften viele Handybesitzer nervös gemacht haben. Auch Akkus in Laptops bereiten immer wieder Probleme, wie ein aktueller Fall mit Apples MacBook Pro zeigt. Mehrere Airlines haben angekündigt, gewisse MacBook-Pro-Geräte nicht mehr an Bord zu lassen. Der Akku könnte in Brand geraten. Der Grund: Der flüssige Elektrolyt in Lithium-Ionen-Akkus ist brennbar und kann bei Überhitzung Feuer fangen. Anders liegt der Fall bei Feststoffbatterien.
Forschende in der Schweiz haben nun erstmals mit Röntgentomografie mechanische Prozesse in Feststoffbatterien beobachtet. Dies kann ihrer Optimierung helfen.
Noch sind solche Feststoffbatterien allerdings in der Entwicklung. Einen wichtigen Schritt für ihre Optimierung haben Forschende des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) gemacht. Mithilfe von Röntgentomografie haben sie untersucht, wie sich Risse im Material dieser Stromspeicher beim Aufladen ausbreiten. So detailliert sei dies bisher nie gelungen, schrieb das Forschungsinstitut in einer Mitteilung. Die Erkenntnisse können helfen, diesen neuen Batterietyp weiter zu optimieren.
Der Elektrolyt der untersuchten Feststoffbatterie besteht laut PSI aus einem Lithium- und Phosphor-Sulfid. Darin sind rund 30 Mikrometer kleine Zinnkugeln eingebettet. Beim Aufladen der Batterie wandern Lithium-Ionen in die Gitterstruktur des Zinns ein. Dadurch wachsen die Kügelchen und zerreissen das umliegende Elektrolytmaterial.
Die Risse behindern jedoch die Bewegung der Lithium-Ionen durch den Elektrolyten. Das schmälert die Leistungsfähigkeit der Batterie. Wie stark sich die Zinnkugeln ausdehnen und wie sich diese Risse genau ausbreiten, haben Forschende um Xiaohan Wu vom PSI in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Autohersteller Toyota beobachtet. Von der Ergebnissen berichteten sie im Fachblatt «Advanced Energy Material».
Demnach wachsen die Kügelchen um rund 300 Prozent. Zudem breiten sich die Risse so aus, dass sie den Weg der Ionen genau kreuzen. Dies hätten die Forschenden nicht erwartet, sagte Wu.
Eine weitere spannende Erkenntnis: Beim Entladen heilt sich die Batterie quasi selbst: Wenn die Lithium-Ionen die Zinnkugeln wieder verlassen, schliessen sich die Risse im Elektrolyt.
Um die Feststoffbatterie zu röntgen, nutzten die Wissenschaftler die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI sowie eine Methode namens «Operando Röntgentomografische Mikroskopie». «Die Methode funktioniert prinzipiell wie eine Computertomografie in einem Spital, jedoch ist beim Synchrotron am PSI der Photonenfluss um einige Grössenordnungen höher», erklärte Federica Marone vom PSI. Dadurch liesse sich die nötige räumliche und zeitliche Auflösung erreichen, um die Prozesse während des Batteriebetriebs zu beobachten.
In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden mit dieser Methode nach Elektrolytmaterialien suchen, die weniger stark anfällig für Risse und damit leistungsfähiger sind.
(oli/sda)
