Erstmals 3D-Innenstruktur von wiederaufladbaren Batterien enthüllt

16.03.2023 - Großbritannien

Forscher der Universität Lancaster haben Pionierarbeit geleistet, indem sie zum ersten Mal die innere 3D-Struktur von wiederaufladbaren Batterien untersucht haben.

Die in Nature Communications veröffentlichte Forschungsarbeit wurde von Professor Oleg Kolosov vom Fachbereich Physik der Universität Lancaster in Zusammenarbeit mit dem University College London und dem NEXGENNA Faraday Institution Consortium geleitet.

Das Team setzte eine neuartige 3D-Nano-Rheologie-Mikroskopie (3DNRM) ein, um die 3D-Nanostruktur im Inneren von wiederaufladbaren Batterien sichtbar zu machen, von der elektrischen Doppelschicht auf molekularer Ebene bis hin zur nanoskaligen elektrochemischen Oberflächenschicht auf der Graphit-Anodenoberfläche in einer Lithium-Ionen-Batterie.

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Dies ermöglichte zum ersten Mal die direkte Beobachtung der Entwicklung der gesamten dreidimensionalen Struktur der festen elektrischen Grenzfläche (Solid Electric Interface, SEI), einer Passivierungsschicht im Nanomaßstab, die sich auf der Grenzfläche zwischen Batterieelektrode und Elektrolyt bildet und die Schlüsseleigenschaften der Batterie vorbestimmt.

Die Autoren konnten die wichtigsten Prädiktoren für die Bildung der SEI-Schicht in einem komplexen Zusammenspiel von molekularen Dimensionen elektrischer Doppelschichtstrukturen, Oberflächeneigenschaften von Kohlenstoffschichten und der Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Li-Ionen im Elektrolyten aufdecken.

Die Nanoarchitektur von Fest-Flüssig-Grenzflächen ist für Hochleistungsbatterien von entscheidender Bedeutung, doch war es bisher schwierig, Reaktionsgrenzflächen in Batterien zu charakterisieren, da sie von Natur aus schwer zugänglich sind.

Dr. Yue Chen von der Universität Lancaster, der Hauptautor, sagte: "Bislang ist das Verständnis des SEI-Bildungsmechanismus immer noch ein äußerst schwieriges und wenig erforschtes Gebiet, da es keine Technik zur Charakterisierung von Grenzflächen gibt, die sowohl eine Auflösung im Nanobereich als auch einen Betrieb in der Arbeitsumgebung von Batterien ermöglicht."

Die Dynamik von Grenzflächenreaktionen bestimmt den Energiefluss und die Energieumwandlung und steuert den Transfer chemischer Spezies in wichtigen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen, von katalytischen Reaktionen über die Energiespeicherung und -freisetzung in Batterien bis hin zu Antigen-Antikörper-Interaktionen und der Informationsübertragung über Nervenzellen.

Dies eröffnet der neuen Technik ein breites Spektrum von Bereichen, von der Energiespeicherung über die chemische Technik bis hin zu biomedizinischen Anwendungen.

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