Unsichtbare Batterieteile dank bahnbrechender Technik endlich sichtbar
Neue Methode deckt kritische Schwachstellen in Batterieelektroden auf
Forscher der Universität Oxford haben eine leistungsfähige neue Methode entwickelt, um eine wesentliche Komponente der Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien sichtbar zu machen, die bisher nur sehr schwer zu verfolgen war. Die Entdeckung, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, könnte zu einer höheren Effizienz bei der Herstellung von Batterieelektroden führen und letztlich dazu beitragen, die Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.
Nanoskopische Carboxymethylcellulose (CMC)-Schichten und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)-Agglomerate auf Graphitpartikeln, die mit der energieselektiven Rückstreuelektronen-Bildgebung (EsB) in einer im Labor hergestellten Li-Ionen-Anode nach Bromierung nachgewiesen wurden. Der Unterschied in der Stabilität zwischen bromiertem SBR und bromiertem CMC während der Elektronenabbildung ermöglicht es, beide Bindemittel im EsB-Bild einzeln zu unterscheiden. Das EsB-Bild wurde zur besseren Unterscheidung der verschiedenen Bindemittelphasen eingefärbt.
Stanislaw Zankowski
Die Studie konzentrierte sich auf moderne Polymerbindemittel, die in negativen Lithium-Ionen-Batterieelektroden (Anoden) verwendet werden. Diese Bindemittel spielen eine entscheidende Rolle beim Zusammenhalten der Batterieelektroden und beeinflussen deren mechanische Stabilität, elektrische und ionische Leitfähigkeit sowie die Zykluslebensdauer. Da sie jedoch weniger als 5 % des Gewichts der Elektrode ausmachen und keine eindeutigen Merkmale aufweisen, war es bisher fast unmöglich, ihre Verteilung in den Anoden abzubilden oder zu kontrollieren. Dies hat die Bemühungen zur Verbesserung der Batterieleistung behindert, da die Platzierung des Bindemittels direkten Einfluss auf die Leitfähigkeit, Stabilität und langfristige Haltbarkeit der Elektrode hat.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher eine neuartige, zum Patent angemeldete Färbetechnik entwickelt, die rückverfolgbare Silber- und Brommarker verwendet, um handelsübliche Cellulose- und Latexbinder in Graphit- und Siliziumanoden zu markieren. Diese Markierungen machen die Bindemittel sichtbar, indem sie charakteristische Röntgenstrahlen erzeugen (gemessen mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie) oder hochenergetische Elektronen von der Probenoberfläche reflektieren (gemessen mit energieselektivem Backscattered Electron Imaging). Wenn diese Methoden mit einem Elektronenmikroskop nachgewiesen werden, liefern sie genaue Informationen über die Verteilung der Elemente und die Oberflächentopographie.
Hauptautor Dr. Stanislaw Zankowski (Abteilung für Werkstoffe, Universität Oxford) sagte: "Diese Färbetechnik eröffnet ein völlig neues Instrumentarium, um zu verstehen, wie sich moderne Bindemittel bei der Elektrodenherstellung verhalten. Zum ersten Mal können wir die Verteilung dieser Bindemittel nicht nur allgemein (d. h. ihre Dicke in der gesamten Elektrode), sondern auch lokal in Form von nanoskaligen Bindemittelschichten und -clustern genau sehen und sie mit der Anodenleistung in Beziehung setzen."
Wichtig ist, dass die Bildgebungsmethode nicht nur bei Elektroden auf Graphitbasis funktioniert, sondern auch bei fortschrittlicheren Materialien wie Silizium oder SiOx, so dass sie für alle Batteriekonzepte der nächsten Generation anwendbar ist.
Mithilfe der Methode fand das Team heraus, dass kleine Änderungen bei der Verteilung der Bindemittel die Effizienz und Lebensdauer einer Batterie erheblich beeinflussen können. Durch Anpassung der Misch- und Trocknungsprotokolle für die Aufschlämmung verringerten die Forscher beispielsweise den inneren Ionenwiderstand der Testelektroden um bis zu 40 % - ein entscheidender Engpass beim Schnellladen.
In der Studie wurden auch die schwer fassbaren nanoskopischen Schichten des Bindemittels Carboxymethylcellulose (CMC) erfasst, das die Oberflächen der Graphitpartikel beschichtet. Die Bildgebung ermöglichte eine beispiellose Erkennung von 10 nm dicken CMC-Schichten und löste Merkmale in einer Größenordnung von vier Größenordnungen in Einzelbildern auf. Dadurch wurde deutlich, wie die dünnen CMC-Schichten während der Elektrodenverarbeitung von einer ursprünglich vollständigen Beschichtung in gebrochene, inhomogene Flecken zerfallen, was die Leistung und Stabilität der Batterie beeinträchtigen kann.
Co-Autor Professor Patrick Grant (Department of Materials, University of Oxford) sagte: "Diese multidisziplinäre Arbeit, die Chemie, Elektronenmikroskopie, elektrochemische Tests und Modellierung umfasst, hat zu einem innovativen bildgebenden Ansatz geführt, der uns helfen wird, wichtige Oberflächenprozesse zu verstehen, die die Langlebigkeit und Leistung von Batterien beeinflussen. Dies wird zu Fortschritten in einer Vielzahl von Batterieanwendungen führen."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!