Wie sich Kathodenmaterial atomgenau kartieren lässt

26.05.2020Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Eine Kombination mikroskopischer Verfahren rückt leistungsfähigere Batteriematerialien in greifbare Nähe. Ein Forschungsteam schaffte es zu demonstrieren, wie die Verbindung Lithium-Nickel-Oxid aufgebaut ist.

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Tritt ein STEM-Elektronenstrahl (weiß) durch die Anordnung der Atome in Lithium-Nickel-Oxid (Bildmitte), so entsteht ein Bild (unten), aus dem auf die Lage der Atome zurückgerechnet werden kann. Das untersuchte Material könnte auf der Kathodenseite von Batterien eingesetzt werden (links symbolisiert).
(Bild: JLU)

Keine Energiewende ohne Energiespeicherung – umweltschonende Technologien erfordern leistungsfähige Batterien. Lithium-Ionen-Batterien haben sich seit Anfang der 1990er Jahre als führende Technologie für die Speicherung elektrochemischer Energie durchgesetzt. Ihre Herstellung ließe sich verbilligen, wenn man das preiswerte Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2) für die Kathode verwenden könnte, also für den Pluspol.

„Das Material erleidet jedoch beim Laden und Entladen Schaden wegen des hohen Nickelgehalts, vor allem an der Oberfläche“, erklärt Chemiker Professor Dr. Jürgen Janek. „Dies behindert den kommerziellen Einsatz von Lithium-Nickel-Oxid seit langer Zeit.“ Worauf diese Materialumwandlung beruht, ist in den mechanistischen Details bisher unklar.

Der Grund: „Es gab bisher keine experimentelle Methode, um die Anordnung aller einzelnen Atome in Lithium-Nickel-Oxid sichtbar zu machen“, wie die Physikerin Professorin Dr. Kerstin Volz erläutert. „Insbesondere fehlen experimentelle Ergebnisse an Materialien, wie sie tatsächlich in einer Batterie verwendet werden könnten.“

Um diese Forschungslücke zu füllen, taten sich die Arbeitsgruppen von Volz und Janek zusammen. Das Team nutzte eine Kombination mehrerer Verfahren der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM). Mit diesem Ansatz ist es der Gruppe gelungen, die Anordnung der Elemente Atom für Atom abzubilden. „Wir sind überzeugt, dass unsere Resultate helfen, neue Materialien mit verbesserter Stabilität zu entwickeln“, schreibt das Autorenteam im Forschungsbericht.

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