Eine Technologie zum "Sehen" in kommerziellen Batterien

Die Kontrolle und Untersuchung der Chemie einer Batterie ist entscheidend für die Verbesserung ihres Designs

09.11.2022 - Frankreich

Ein multidisziplinäres Forschungsteam, an dem Wissenschaftler des Collège de France, des CNRS, der Universität Rennes 1 und der Universität Montpellier beteiligt waren, hat eine Methode entwickelt, um die Entwicklung der Chemie im Inneren einer Batterie live und während ihrer zahlreichen Lade- und Entladevorgänge zu verfolgen. Diese Technologie, die in Nature Energy vorgestellt wird, ebnet den Weg für die Verbesserung der Leistung und des Designs zukünftiger Batterien.

© Frédérique PLAS / CSE / CNRS Photothèque

© Gervillié-Mouravieff et al./Collège de France

Batterien bieten die Fähigkeit, Energie in chemischer Form zu speichern: Beim Laden erzwingt der Strom chemische Reaktionen und die Energie wird gespeichert, beim Entladen führt eine spontane elektrochemische Reaktion zu einer umgekehrten Elektronenbewegung im System. Die Energie wird freigesetzt, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.

Die Kontrolle und Untersuchung der Chemie einer Batterie ist daher entscheidend für das Verständnis ihrer Funktionsweise, aber auch für die Verbesserung ihres Designs. Im Labor ist das kein Problem, aber wenn die Batterie in ein System eingebaut ist, ist es viel schwieriger. Ein multidisziplinäres Forschungsteam1 unter der Leitung von Wissenschaftlern des Labors Chimie du solide et de l'énergie (CNRS/Collège de France/Sorbonne Université) hat nun eine Methode entwickelt, mit der die Entwicklung der Chemie einer handelsüblichen Batterie während des Ladens oder Entladens live verfolgt werden kann.

Die Technologie, die in einem in Nature veröffentlichten Artikel vorgestellt wird, beruht auf dem Transport von Infrarotlicht in optischen Fasern aus Chalkogenidglas, die durch eine Batterie gelegt werden. Durch die Wechselwirkung dieses Lichts mit den Bestandteilen der Batterie können chemische Moleküle, die sich in der Umgebung der Faser befinden, identifiziert und verfolgt werden.

So konnten die Forscher und Forscherinnen beobachten, wie sich die Elektrolyte sowie die Insertion/Extraktion von Natrium-Lithium-Ionen in die Elektroden in Abhängigkeit von der Ladung veränderten. Und das, während sie in Gebrauch war - ein Novum! Mit diesem System konnten die Wissenschaftler auch die Grenzfläche zwischen dem Elektrolyt und dem Material der negativen Elektrode, die sogenannte Solid electrolyte interphase (SEI), untersuchen. Diese Schicht, die sowohl ionenleitend als auch elektronenisolierend ist, bestimmt die Lebensdauer der Batterien. Das Team konnte insbesondere die Art der chemischen Spezies, die an der Nukleation und dem Wachstum der SEI beteiligt sind, die bei der allerersten Ladung einer Batterie entsteht, in situ verfolgen.

Aus praktischer Sicht ebnen diese Ergebnisse den Weg für ein einfacheres und besseres Batteriedesign. Derzeit ist die Optimierung von Elektrolyten und Ladeprotokollen ein langwieriges Unterfangen, um die beste Option für eine ideale SEI zu finden und so die Lebensdauer einer Batterie zu verbessern. Mit dieser neuen, bahnbrechenden Methode ist es möglich, schnell und genau zu sehen, wie sich jedes Element der Rezeptur entwickelt, mit den anderen interagiert und die Leistung der Batterie beeinflusst. Das Forschungsteam setzt seine Arbeit fort und konzentriert sich dabei auf die SEI und hofft, alle ihre Geheimnisse enthüllen zu können.

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Originalveröffentlichung

Charlotte Gervillié-Mouravieff, Catherine Boussard-Plédel, J. Huang, Cédric Leau, L. Albero Blanquer, Mouna Ben Yahia, Marie-Liesse. Doublet, S. T. Boles, Xianghua H. Zhang, Jean-Luc Adam et Jean-Marie Tarascon; "Unlocking cell chemistry evolution with in-operando fiber optic IR spectroscopy in commercial Na(Li)-ion batteries."; Nature Energy, 2022.

https://www.chemie.de/news/1178380/eine-technologie-zum-sehen-in-kommerziellen-batterien.html