Die Vorgänge an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche in Batterien verstehen

Berichte von explodierenden Handyakkus oder in Flammen stehenden Elektroautos erinnern immer wieder an die Gefahren von Batterien mit hohen Energiedichten. Für die Entwicklung von langlebigeren und sichereren Batterien fehlt es an Detailwissen über die elektrochemischen Prozesse im Inneren der Batterie, genauer gesagt an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Diese Lücke möchte Prof. Dr. Tong Li schließen. Sie ist Professorin für Atomic-Scale Characterisation an der Ruhr-Universität Bochum und wurde vom Europäischen Forschungsrat mit einem Consolidator Grant ausgezeichnet. Mit einer speziellen Methode, der Atomsondentomografie, kann die Bochumer Forscherin elektrochemische Prozesse mit atomarer Auflösung besser verstehen.

Prozesse an der Grenzfläche Atom für Atom sichtbar machen

Lithium-Metall-Batterien besitzen zwei Elektroden, zwischen denen sich Lithium-Ionen durch eine Elektrolyt-Lösung bewegen. Entscheidend für die Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Batterie ist, was zwischen Elektrode Elektrolyt passiert. Relevant dafür ist zum einen die Grenzfläche, also die Stelle, an der die feste Elektrode und der flüssige Elektrolyt aufeinanderstoßen. Zum anderen spielen aber auch sogenannte feste Elektrolyt-Zwischenphasen eine Rolle. Damit gemeint sind die physikalischen Zustände, welche im Bereich der Grenzfläche auftreten. Könnte man die Stabilität der Grenzfläche und der Zwischenphasen kontrollieren, könnte man Batterien deutlich sicherer und effizienter machen.

Tong Li interessiert sich beispielsweise für das Phänomen der Dendriten-Bildung: Lithium-Ionen können sich an einer der Elektroden ablagern und verästelte Strukturen bilden, die den Elektrolyten durchziehen. Wachsen sie durch die Trennwand, die die Elektroden elektrisch voneinander separieren soll, bis zur Kathode, kommt es zum Kurzschluss. Tong Li möchte im Rahmen des ERC-Grants untersuchen, wie die Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche und die Zwischenphasen die Lithium-Ablagerungen beeinflussen.

Der Grant ist mit rund 2,2 Millionen Euro für fünf Jahre dotiert. Das Projekt „Unveiling atomic-scale elemental distribution of electrode/electrolyte interfaces and interphase in batteries“ startet 2024.