Hochauflösendes Bild von lithiumreichen (unten rechts) und lithiumarmen (oben links) Bereichen des Probenmaterials. Zum leichteren Vergleich sind beide Bereiche auch in Abbildungen von Simulationen dargestellt. (Bild: FELMI – TU Graz)
Lithium-Eisenphosphat zählt zu den wichtigsten Materialien für Batterien von E-Autos, stationären Stromspeichern oder Werkzeugen. Es ist langlebig, vergleichsweise günstig und neigt nicht zur Selbstentzündung. Auch die Energiedichte macht Fortschritte. Die Fachwelt rätselt allerdings nach wie vor, warum Lithium-Eisenphosphat-Akkus ihre theoretische Stromspeicherkapazität in der Praxis um bis 25 Prozent unterbieten. Um diese schlummernde Kapazitätsreserve zu nutzen, wäre die genaue Kenntnis darüber entscheidend, wo und wie sich Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen im Batteriematerial einlagern und wieder herauslösen. Forschern der TU Graz ist nun ein wesentlicher Schritt dazu gelungen: Bei Untersuchungen mit Transmissionselektronenmikroskopen konnten sie die Lithium-Ionen auf ihrem Weg durch das Batteriematerial systematisch verfolgen, deren Anordnung im Kristallgitter einer Eisenphosphat-Kathode mit sehr hoher Auflösung abbilden und deren Verteilung im Kristall genau quantifizieren.
Lithium-Ionen bleiben im Kristallgitter der Kathode zurück
Die 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. Die immobilen Lithium-Ionen sind ungleichmäßig in der Kathode verteilt. Den Forschern 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. Diese Details liefern wichtige Hinweise auf physikalische Effekte, die der Batterieeffizienz bislang entgegenwirken und die bei der Weiterentwicklung der Materialien zu berücksichtigen sind.
Methoden sind auf andere Batteriematerialien übertragbar
Für die Untersuchungen haben die Forscher Materialproben aus den Elektroden ge- und entladener Akkus herauspräpariert und unter anderem am atomar auflösenden ASTEM-Mikroskop der TU Graz untersucht. Dabei kombinierten sie Elektronenenergieverlustspektroskopie mit Messungen zur Elektronenbeugung und Bildgebung auf atomarer Ebene. Durch die Kombination verschiedener Untersuchungsmethoden konnten sie bestimmen, wo das Lithium in den Kristallkanälen positioniert ist und auf welchen Wegen es dort hingelangt. Die entwickelten Methoden und gewonnenen Erkenntnisse zur Ionendiffusion lassen sich mit nur geringen Anpassungen auch auf andere Batteriematerialien übertragen.
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