Stalaktiten und Stalagmiten in dieser Batterie

Ob E-Pkw, Handy oder Akkuschrauber: Viele Geräte des täglichen Gebrauchs nutzen mittlerweile Akkus. Wirklich hat dieser Trend gleichwohl seine Schattenseiten. So wurden z. B. bestimmte Handys für jedes die Mitnahme in Flugzeugen verboten oder E-Autos fingen Feuer. Moderne handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien sind sachte im Vergleich zu mechanischer Beanspruchung.

Rechtsmittel könnten sogenannte „Solid-State-Batterien“ schaffen. Selbige enthalten keinen flüssigen Obstkern mehr – den sogenannten Elektrolyten – sondern Leben vollwertig aus festem Werkstoff, zB Töpferware-Ionenleiter. Indem sind sie stereotyp robust, nicht brennbar, leichtgewichtig zu miniaturisieren und unempfindlich im Vergleich zu Temperaturschwankungen.

Doch Feststoffbatterien zeigen nachdem mehreren Lade- und Entladezyklen ihre Probleme: Während Plus- und Minuspol dieser Batterie zu Beginn noch elektrisch voneinander nicht angeschlossen sind, werden sie schließlich durch batterieinterne Prozesse elektrisch miteinander verbunden: „Lithium Dendriten“ wachsen langsam in dieser Batterie. Selbige Lithium-Dendriten wachsen Schrittgeschwindigkeit für jedes Schrittgeschwindigkeit für jedem Ladevorgang, solange bis die beiden Pole verbunden sind. Die Folge: Die Batterie wird kurzgeschlossen und „stirbt“. Bisher sind die genauen physikalischen Vorgänge, die in diesem Fall verstreichen, jedoch noch nicht gut verstanden.

Ein Team um Rüdiger Berger aus dieser Ressort von Hans-Jürgen Butt hat sich nun dem Problem spekulativ und die Vorgänge mit einer speziellen Mikroskopiemethode genauer untersucht. Sie gingen dieser Frage nachdem, wo die Lithium-Dendriten zu wachsen beginnen. Ist es wie in einer Tropfsteinhöhle, wo Stalaktiten von dieser Schicht und Stalagmiten vom Land wachsen, solange bis sie sich in dieser Zentrum vereinen und ein sogenanntes „Stalagnat“ zusammenbauen? C/o einer Batterie gibt es kein Oben und Unten – andererseits wachsen Dendriten vom Negativ- zum Pluspol oder vom Plus- zum Minuspol? Oder wachsen sie gleichermaßen von beiden Polen? Oder gibt es spezielle Stellen in dieser Batterie, die zur Keimbildung und von dort aus zu dendritischem Wuchs resultieren?

Rüdiger Berger
untersuchte dasjenige Team insbesondere sogenannte „Korngrenzen“ im keramischen Festelektrolyten. Selbige Säumen entstehen für dieser Herstellung dieser Festkörperschicht: Die Atome in den Kristallen dieser Töpferware sind prinzipiell sehr regelmäßig angeordnet. Durch kleine, zufällige Schwankungen im Kristallwachstum zusammenbauen sich jedoch linienartige Strukturen dort, wo die Atome unregelmäßig angeordnet sind – eine sogenannte „Korngrenze“.

Visuell werden solche Korngrenzen mit ihrer Mikroskopiemethode „Kelvin Probe Force Microscopy“, für dieser die Oberfläche mit einer scharfen Spitze abgetastet wird. Chao Zhu, Promotionsstudent für Rüdiger Berger, sagt: „Wenn die Festkörperbatterie geladen ist, sieht die Kelvin-Sondenkraftmikroskopie, dass sich Elektronen weiter dieser Korngrenzen ansammeln – insbesondere in dieser Nähe des Minuspols.“ Letzteres weist darauf hin, dass die Korngrenze nicht nur die Beschaffenheit dieser Atome dieser Töpferware verändert, sondern gleichwohl deren elektronische Struktur.

Durch die Pool von Elektronen – daher negativen Teilchen – können positiv geladene Lithium-Ionen, die im Festelektrolyten wandern, zu metallischem Lithium reduziert werden. Die Folge: Lithiumablagerungen und Lithiumdendriten zusammenbauen sich. Wird dieser Ladevorgang wiederholt, wächst dieser Dendrit weiter, solange bis schließlich die Pole dieser Batterie verbunden sind. Die Entstehung solcher Anfangsstadien für jedes Dendritenwachstum wurde nur am Minuspol beobachtet – gleichwohl nur an diesem Pol beobachtet. Am entgegengesetzten positiven Pol wurde kein Wuchs beobachtet.

Die Wissenschaftler wünschen, dass sie mit einem genauen Verständnis dieser Wachstumsvorgänge gleichwohl effektive Wege gedeihen können, um dasjenige Wuchs am Minuspol zu verhindern oder zumindest zu begrenzen, damit künftig gleichwohl die sichereren Lithium-Festkörperbatterien eingesetzt werden können für Breitbandanwendungen.

Forschungsbericht: Verständnis dieser Erschaffung von Lithiumdendriten an Li6.25Al0.25La3Zr2O12-Korngrenzen durch Operando-Mikroskopietechniken

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