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Batterietechnik TU Graz will Stromspeicherkapazität von Lithium-Eisenphosphat-Akkus optimieren

Quelle: Pressemitteilung 2 min Lesedauer

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Technische Universität Graz

Lithium-Eisenphosphat ist eines der wichtigsten Materialien für Batterien von Elektrofahrzeugen. Allerdings unterbieten sie ihre theoretische Kapazität in der Praxis teilweise erheblich. In einer Lithium-Eisenphosphat-Kathode beobachteten Forschende der TU Graz nun, wo der Kapazitätsverlust auftritt.

Die TU Graz arbeitet an einer Erklärung, warum Lithium-Eisenphosphat-Akkus ihre theoretische Stromspeicherkapazität in der Praxis um bis 25 Prozent unterbieten. Hier sind lithiumreiche (unten rechts) und lithiumarme (oben links) Bereiche des Probenmaterials dargestellt. Zum leichteren Vergleich sind beide Bereiche auch in Abbildungen von Simulationen zu sehen.(Bild: Felmi | TU Graz)
Die TU Graz arbeitet an einer Erklärung, warum Lithium-Eisenphosphat-Akkus ihre theoretische Stromspeicherkapazität in der Praxis um bis 25 Prozent unterbieten. Hier sind lithiumreiche (unten rechts) und lithiumarme (oben links) Bereiche des Probenmaterials dargestellt. Zum leichteren Vergleich sind beide Bereiche auch in Abbildungen von Simulationen zu sehen.
(Bild: Felmi | TU Graz)

Lithium-Eisenphosphat ist langlebig, vergleichsweise kostengünstig und neigt nicht zur Selbstentzündung. Auch die Energiedichte macht Fortschritte. Nachteilig ist der Fakt, dass Lihium-Eisenphosphat-Akkus ihre theoretische Stromspeicherkapazität in der Praxis um bis 25 Prozent unterbieten. Um diese Kapazitätsreserve zu nutzen, ist es notwendig zu wissen, wo und wie sich Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen im Batteriematerial einlagern und wieder herauslösen. Der Technischen Universität Graz ist nun ein wesentlicher Schritt dazu gelungen: Bei Untersuchungen mit Transmissionselektronenmikroskopen konnten Forschende die Lithium-Ionen auf ihrem Weg durch das Batteriematerial systematisch verfolgen, ihre Anordnung im Kristallgitter einer Eisenphosphat-Kathode mit noch nie dagewesener Auflösung abbilden und ihre Verteilung im Kristall genau quantifizieren.

Kapazitätsverluste durch immobile Ionen

„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass auch bei vollständigem Laden der Testbatteriezellen Lithium-Ionen im Kristallgitter der Kathode zurückbleiben, anstatt zur Anode zu wandern. Diese immobilen Ionen kosten Kapazität“, erklärt Daniel Knez vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik an der Universität. Die immobilen Lithium-Ionen sind ungleichmäßig in der Kathode verteilt. Den Forschenden ist es gelungen, diese unterschiedlich stark mit Lithium angereicherten Bereiche genau zu bestimmen und bis auf wenige Nanometer voneinander abzugrenzen. In den Übergangsbereichen fanden sich Verzerrungen und Verformungen im Kristallgitter der Kathode.

Gerald Kothleitner, Werner Grogger, Nicola Šimić, Daniel Knez (alle vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik) und Anna Jodlbauer vom Institut für Chemie und Technologie von Materialien neben einem Rasterelektronenmikroskop, an dem ein Teil der Untersuchungen durchgeführt wurde (vlnr).(Bild: Helmut Lunghammer | TU Graz)
Gerald Kothleitner, Werner Grogger, Nicola Šimić, Daniel Knez (alle vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik) und Anna Jodlbauer vom Institut für Chemie und Technologie von Materialien neben einem Rasterelektronenmikroskop, an dem ein Teil der Untersuchungen durchgeführt wurde (vlnr).
(Bild: Helmut Lunghammer | TU Graz)

Methoden für weitere Batteriematerialien nutzbar

Für die Untersuchungen hat die TU Graz Materialproben aus den Elektroden ge- und entladener Akkus herauspräpariert und unter anderem am atomar auflösenden ASTEM-Mikroskop untersucht. Dabei kombinierten sie Elektronenenergieverlustspektroskopie mit Messungen zur Elektronenbeugung und Bildgebung auf atomarer Ebene. „Durch die Kombination verschiedener Untersuchungsmethoden konnten wir bestimmen, wo das Lithium in den Kristallkanälen positioniert ist und auf welchen Wegen es dort hingelangt“, erläutert Nikola Šimić vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik. „Die von uns entwickelten Methoden und die gewonnen Erkenntnisse zur Ionendiffusion lassen sich mit nur geringen Anpassungen auch auf andere Batteriematerialien übertragen, um sie noch präziser zu charakterisieren und weiterzuentwickeln.“  (se)

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