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Batterietechnik Ursache für Kapazitätsverlust bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus gefunden

Von Automobil Industrie 1 min Lesedauer

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Teile der Ionen von Lithium-Eisenphosphat verharren im Kristallgitter der Kathode. Bis zu 25 Prozent der theoretischen Akkukapazität sind deshalb nicht nutzbar haben Mitarbeiter der TU Graz analysiert.

Von links nach rechts: 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.(Bild: Helmut Lunghammer, TU Graz)
Von links nach rechts: 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.
(Bild: Helmut Lunghammer, TU Graz)

Lithium-Eisenphosphat können ihre theoretische Energiespeicherkapazität in der Praxis nicht nutzen, teilt die TU Graz mit. In der Regel bleiben demnach bis zu 25 Prozent ungenutzt. Mitarbeitern der TU ist es nun gelungen, nachzuweisen wo und wie sich Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen im Batteriematerial einlagern und wieder herauslösen.

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, heißt es in der Mitteilung der Universität.

Kapazitätsverluste durch immobile Ionen

Hier sind lithiumreiche (unten rechts) und lithiumarme (oben links) Bereiche des Lithium-Eisenphosphat-Probenmaterials dargestellt. Zum leichteren Vergleich sind beide Bereiche auch in Abbildungen von Simulationen zu sehen.(Bild: Felmi | TU Graz)
Hier sind lithiumreiche (unten rechts) und lithiumarme (oben links) Bereiche des Lithium-Eisenphosphat-Probenmaterials dargestellt. Zum leichteren Vergleich sind beide Bereiche auch in Abbildungen von Simulationen zu sehen.
(Bild: Felmi | TU Graz)

„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.

Für die Untersuchungen hat die TU Graz Materialproben aus den Elektroden ge- und entladener Akkus präpariert und unter anderem am atomar auflösenden ASTEM-Mikroskop untersucht. Dabei kombinierten sie Elektronenenergieverlustspektroskopie mit Messungen zur Elektronenbeugung und Bildgebung auf atomarer Ebene. „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“, erläutert Nikola Šimić vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik.

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