Forschende der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Tong Li und des Helmholtz Instituts Ulm sowie des Karlsruhe Instituts für Technologie um Prof. Dr. Dominic Bresser prüften die Hypothese, dass Lithium-Ionen beim Laden in den Kupferstromkollektor eingebunden werden und konnten sie mittels Atomsondentomografie beweisen. Dieser Verlust nimmt mit der Anzahl an Ladezyklen zu, auch bei hochmodernen Batterietypen.
Präzise 3D-Karten aller Elemente
Der Kupferstromkollektor ist eine dünne Kupferfolie, die als Trägerschicht für die Anode der Batterie dient und Elektronen sammelt, um sie zum Minuspol zu leiten. Bei Lithium-Metall-Batterien kann Lithium während des Lade- und Entladezyklus in den Kupferstromkollektor diffundieren. „Wo genau sich die Lithium-Ionen einlagern, war bislang aber unklar“, erklärt Tong Li. „Lithium in Kupfer ist schwer nachzuweisen, da es an analytischen Möglichkeiten mangelt, hochaktives und leichtes Lithium nachzuverfolgen.“
Das Forschungsteam setzte die Atomsondentomografie ein, die es erlaubt, präzise dreidimensionale Karten beliebiger Elemente mit einer Auflösung im Subnanometerbereich zu erstellen. Es zeigte sich, dass Lithium bereits nach einem einzigen Lade-/Entladungszyklus zunächst an Korngrenzen und Grenzflächen der Kupferfolie eingebunden wird. Nach drei Zyklen wird die Oberfläche der Kupferfolie nanokristallin und oxidiert. Die dadurch entstehenden Defekte binden Lithium und Sauerstoff unterhalb der Oberfläche weiter ein, was zu einer Zersetzung des Kupferstromkollektors führt.
Lithium-Verlust bei neuer Batterietechnik bislang übersehen
„All diese Informationen sind wichtig, um zu verstehen, wie der Stromkollektor die Leistung von Lithium-Batterien der Zukunft beeinflusst“, erklärt Tong Li. Denn Lithium-Metall-Batterien (LMBs) und seit kurzem auch sogenannte „Zero-Excess“- oder „anodenfreie“ LMBs gelten als die nächsten bedeutenden Schritte auf dem Weg zu noch höheren Energiedichten. Sie übertreffen die derzeit vorherrschende Lithium-Ionen-Technologie bei weitem.
„Bei Zero-Excess-LMBs geht man im Allgemeinen davon aus, dass Lithium nicht in den Kupferstromkollektor diffundiert oder mit ihm wechselwirkt“, so Tong Li. „In Diskussionen über den Leistungsabfall von LMBs wurde der Lithium-Verlust an den Kupferkollektor bislang weitgehend übersehen.“
