NMR-Verfahren legt Fehlermechanismen von Lithiumbatterien offen
Im Gegensatz zu Lithium- oder Natrium-Ionen-Batterien, die gemeinhin in Energiespeichersystemen, Elektrofahrzeugen und elektronischen Handgeräten verwendet werden, sind Batterien mit einer reinen Metallelektrode noch nicht wiederaufladbar. Während des Ladens lösen sich dünne metallische Strukturen, die als Dendriten bezeichnet werden, von der Elektrodenoberfläche, und dringen durch das Elektrolyt, bis die Gegenelektrode erreicht worden ist. Die Bildung von Dendriten kann ein Risiko für die Sicherheit der Batterie darstellen, da diese überhitzen oder sogar Feuer fangen kann. Im Rahmen von BATTINSITU (In-situ nuclear magnetic resonance investigation of the critical failure mechanism of lithium batteries: toward safer, highly reliable and energy dense storage) wandten Wissenschaftler erfolgreich in-situ-Methoden an, um die Beschaffenheit des metallischen Lithiums zu evaluieren, das an den Lithiummetallanoden entsteht. Unter Anwendung von NMR-Spektroskopieverfahren fokussierte sich das Projektteam auf den Einfluss, den verschiedene Lithiumelektrolyt- und Separatormaterialien auf die Dendritenmorphologie haben könnten. Im Gegensatz zu gemeinhin verwendeten Karbonatelektrolyten wurde bei ionischen Flüssigelektrolyten festgestellt, dass diese eine Dendritenverteilung verursachen. Dies liegt vor allem daran, dass der Ionentransport an die Elektrode weitaus geringer ist. Solange die Elektrode nicht vollständig gekapselt war, sammelten sich bei allen getesteten Separatormaterialien Dendriten am Rand der Separatorscheiben. Erstmals wandten Wissenschaftler NMR-Verfahren an, um zeitaufgelöste, quantitative Informationen über Natriumbatterien zu erhalten – diese sind aufgrund des Natriumreichtums interessante Kandidaten als Ersatz für Lithiumbatterien. Das Team berichtete erneut über die Bildung von Natriumdendriten; metallische Natriumablagerungen mit einer sehr großen Fläche akkumulierten auch beim Laden mit geringer Stromstärke weiter. Nach einer Umkehr der Stromrichtung und einem Laden mit hoher Stärke stellte das Team fest, dass die metallischen Ablagerungen im Laufe der Zeit nicht effizient von den Elektroden entfernt werden konnten. Natriumionen zeigten zudem überraschenderweise eine hohe Mobilität, die viel höher lag als bei Lithiumionen in dem analogen Lithiumsystem. Unter Anwendung dieser leistungsstarken, nicht invasiven in-situ-NMR-Methode erhielten die Wissenschaftler einzigartige Einblicke in das Innere von Lithium- und Natriumbatterien. Die Projektforschung steht für die Entwicklung passender und zeitgerechter Lösungen, die beim Übergang von nicht erneuerbaren Energien zu nachhaltigen und sichereren Energien behilflich sind.
Schlüsselbegriffe
NMR, Lithiumbatterien, erneuerbare Energie, Natrium, Dendriten
