Inhalt:
Produkte und Dienstleistungen
Wider den Widerstand
Darmstädter Forscher tragen zur Entwicklung kleinerer und leistungsfähigerer Batterien bei
Mobiles Kommunizieren und Arbeiten mit Handy, Smartphone oder Notebook wäre ohne kleine Lithium-Ionen-Batterien nicht denkbar. Ihre Leistungsfähigkeit und Lebenszeit stoßen jedoch bei Anwendungen etwa in der Elektromobilität an ihre Grenzen. Mit einem in der Batterieforschung ungewöhnlichen Verfahren wollen Darmstädter Forscher den Weg zu kleineren und leistungsfähigeren Batterien ebnen.
Wie jede Batterie bestehen Lithium-Ionen-Batterien aus drei Komponenten: dem Pluspol (Kathode), dem Minuspol (Anode) und dem sogenannten Elektrolyten, der die beiden Pole voneinander trennt, durch den aber während des Betriebs Ionen wandern. Wie die verschiedenen Materialien an ihren Grenzflächen miteinander reagieren und welche Schichten sich hierbei bilden, ist bislang nicht ausreichend verstanden. „Um Lithium-Ionen Batterien zu optimieren, müssen wir verstehen, welche chemischen Reaktionen an den Grenzflächen innerhalb der Batterie stattfinden“, erläutert Dr. René Hausbrand, Leiter der Arbeitsgruppe Lithium-Ionen-Batterien vom Fachgebiet Oberflächenforschung der TU Darmstadt.
Neue Erkenntnisse erhoffen sich die Darmstädter von einem Verfahren, das in der Batterieforschung bisher nur wenig angewandt wird: „Wir nutzen Reaktionskammern, die in ein Ultrahochvakuum-System integriert sind. Auf diese Weise können wir unter idealisierten Bedingungen die Reaktionen an Grenzflächen beobachten, also dort, wo unterschiedliche Materialien aufeinandertreffen“, so Hausbrand. Die Wissenschaftler tragen dabei Elektrolytmaterialien in hauchdünnen Scheibchen auf Kathodenmaterialien auf und beobachten die Reaktionen, die sie immer wieder unterbrechen können. Hierzu nehmen sie das Kathodenmaterial mit dem aufgetragenen Elektrolyten aus der Reaktionskammer heraus, transferieren es in das Ultrahochvakuum und analysieren die Grenzfläche. Die Forscher beobachten auf diese Weise, wie die Moleküle des Elektrolyten mit dem Material der Kathode reagieren, wie sich die chemische Struktur der Oberfläche der Kathode ändert und welche Moleküle sich dort absetzen und eine Schicht bilden.
„Wie genau diese manchmal nur wenige Moleküllagen dicken Ablagerungen auf der Kathode wirken, ist noch nicht vollständig geklärt. Sie werden aber eher als nachteilig für die Lebensdauer der Batterien angesehen, da sie den Innenwiderstand erhöhen“, erklärt Hausbrand. Die Leitfähigkeiten der einzelnen Komponenten für Lithium-Ionen und ihre Durchgängigkeit durch die verschiedenen Grenzflächen bestimmen wesentlich den Innenwiderstand der Batterie, der natürlich so gering wie möglich gehalten werden muss. Je kleiner der Innenwiderstand, desto größer die Leistungsfähigkeit. „Wenn wir genau wissen, was diese Schichten bewirken, können wir die Grenzfläche entsprechend optimieren“, blickt Hausbrand in die nahe Zukunft. So bringt der Physiker gemeinsam mit seinen Kollegen beispielsweise zum Schutz des Materials an der Kathode künstliche Schichten auf und misst die Kapazität über einen längeren Zeitraum.
Ansprechpartner
Dr. René Hausbrand
Telefon: 06151 16-70836
E-Mail: hausbrand@surface.tu-darmstadt.de