Akkutechnologien Elektrodenmaterial wird beim Laden und Entladen zum „Super“-Material

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In den letzten zehn Jahren haben Fortschritte in Forschung und Entwicklung zu effizienteren Lithium-Ionen-Akkus geführt. Dennoch gibt es nach wie vor erhebliche Defizite. Eine Herausforderung ist die Notwendigkeit einer schnelleren Aufladung, die dazu beitragen kann, die Einführung von Elektrofahrzeugen zu beschleunigen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Boise State University und der University of California San Diego hat einen unkonventionellen Ansatz für dieses Problem gewählt. Mit Hilfe der Ressourcen des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben sie ein Hochleistungsmaterial für Akkuelektroden entwickelt. Die Verbindung, Niobpentoxid, hat eine neuartige kristalline Struktur. Sie verspricht eine Beschleunigung des Ladevorgangs bei gleichzeitig hervorragender Speicherkapazität.

Während des Ladevorgangs wandern die Lithium-Ionen von der positiven Elektrode (Kathode) zur negativen Elektrode (Anode), die in der Regel aus Graphit besteht. Bei höheren Ladegeschwindigkeiten neigt das Lithiummetall dazu, sich auf der Graphitoberfläche abzulagern. Dieser als Plating bezeichnete Effekt verschlechtert die Leistung und kann dazu führen, dass Akkus kurzgeschlossen werden, sich überhitzen und in Brand geraten.

„Die Einrichtungen und Mitarbeiter in Argonne sind Weltklasse. Diese Arbeit zur Entdeckung der einzigartigen Umwandlung in Niobpentoxid hat enorm von der Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern von Argonne profitiert“, erklärt Claire Xiong, Boise State.

Niobpentoxid ist viel weniger anfällig für Beschichtungen, was es möglicherweise sicherer und haltbarer macht als Graphit. Außerdem können sich seine Atome in vielen verschiedenen stabilen Konfigurationen anordnen, für deren Neuanordnung nicht viel Energie erforderlich ist. Dies eröffnet den Forschern die Möglichkeit, neue Strukturen zu entdecken, die die Akkuleistung verbessern könnten.

Knopfzelle mit Niobpentoxid als Elektrodenmaterial

Für die Studie bauten die Forscher eine Knopfzelle mit Niobpentoxid als Elektrodenmaterial. Das Niobpentoxid hatte eine amorphe Struktur – mit anderen Worten eine ungeordnete Anordnung der Atome. Wenn die Zelle mehrmals geladen und entladen wurde, wandelte sich die ungeordnete Struktur in eine geordnete, kristalline Struktur um. Diese besondere Struktur war in der wissenschaftlichen Literatur bisher noch nie beschrieben worden.

Im Vergleich zur ungeordneten Anordnung ermöglichte die kristalline Struktur einen leichteren und schnelleren Transport der Lithium-Ionen in die Anode während des Ladevorgangs. Diese Erkenntnis deutet darauf hin, dass das Material für eine schnelle Aufladung geeignet ist, und andere Messungen deuten darauf hin, dass es eine große Menge an Ladung speichern kann.

Argonne bietet mehrere ergänzende Werkzeuge

Aufgrund der komplexen Veränderungen während des Lade-Entlade-Zyklus waren für ein umfassendes Verständnis mehrere ergänzende Diagnoseinstrumente erforderlich. An dieser Stelle kamen Argonne – und zwei Einrichtungen des DOE Office of Science, die das Labor nutzen – ins Spiel.

Yuzi Liu, Wissenschaftler im Center for Nanoscale Materials (CNM) von Argonne, setzte eine Technik namens Transmissionselektronenmikroskopie ein, um die strukturelle Umwandlung von amorph zu kristallin zu überprüfen. Bei dieser Technik werden hochenergetische Elektronenstrahlen durch eine Materialprobe geschickt. Auf der Grundlage der Wechselwirkung der Elektronen mit der Probe werden digitale Bilder erstellt. Die Bilder zeigen, wie die Atome angeordnet sind. „Da der Elektronenstrahl auf einen kleinen Bereich der Probe fokussiert wird, liefert die Technik detaillierte Informationen über diesen speziellen Bereich“, so Liu.

Strukturelle Veränderung mit der Synchrotron-Röntgenbeugung

Hua Zhou, Physiker in der Advanced Photon Source (APS) von Argonne, bestätigte die strukturelle Veränderung mit einer anderen Technik, der Synchrotron-Röntgenbeugung. Dabei wird die Probe mit hochenergetischen Röntgenstrahlen beschossen, die an den Elektronen der Atome im Material gestreut werden. Ein Detektor misst diese Streuung, um die Struktur des Materials zu charakterisieren.

Die Röntgenbeugung liefert Informationen über allgemeine strukturelle Veränderungen in einer gesamten Materialprobe. Dies kann bei der Untersuchung von Akkuelektrodenmaterialien hilfreich sein, da deren Strukturen von einem Bereich zum anderen variieren. „Indem ich das Anodenmaterial mit Röntgenstrahlen aus verschiedenen Winkeln beschoss, konnte ich bestätigen, dass es sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren gleichmäßig kristallin ist“, erläutert Zhou.

Die Forschung stützte sich auch auf andere Argonne-Fähigkeiten zur Charakterisierung von Materialien. Justin Connell, Materialwissenschaftler im Electrochemical Discovery Laboratory von Argonne, nutzte ein Instrument namens Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, um das Anodenmaterial zu untersuchen. Connell schoss Röntgenstrahlen in die Anode, die Elektronen mit einer bestimmten Energie aus ihr herausschleuderten.

Niob-Atome nehmen mehrere Elektronen auf

„Die Technik zeigte, dass Niob-Atome mehrere Elektronen aufnehmen, wenn die Zelle aufgeladen wird“, so Connell. „Das deutet darauf hin, dass die Anode eine hohe Speicherkapazität hat.“ Der Argonne-Physiker Sungsik Lee untersuchte auch den Gewinn und Verlust von Elektronen bei Niob. Er verwendete eine andere Technik, die Röntgenabsorptionsspektroskopie. Dabei wurde das Anodenmaterial mit intensiven Synchrotron-Röntgenstrahlen beschossen und die Transmission und Absorption der Röntgenstrahlen im Material gemessen. „Die Technik lieferte ein Gesamtbild des Zustands der Elektronen in der gesamten Anode“, ergänzt Lee. „Dies bestätigte, dass Niobium mehrere Elektronen aufnimmt.“

Argonne ist insofern ungewöhnlich, als dass es alle diese Forschungsmöglichkeiten auf seinem Campus hat. Claire Xiong, die Leiterin der Studie, forschte als Postdoktorandin am CNM von Argonne, bevor sie als Materialwissenschaftlerin an die Fakultät der Boise State kam. Sie war mit den umfangreichen Möglichkeiten von Argonne gut vertraut und hatte zuvor mit den Wissenschaftlern von Argonne zusammengearbeitet, die an der Studie beteiligt waren.

„Die Einrichtungen und Mitarbeiter in Argonne sind Weltklasse“, so Xiong. Diese Arbeit zur Entdeckung der einzigartigen Umwandlung in Niobpentoxid hat enorm von der Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern von Argonne profitiert. Sie profitierte auch vom Zugang zum APS, dem Electrochemical Discovery Laboratory und dem CNM.“

Neue Synthesemethode könnte Innovation in vielen Bereichen unterstützen

Es ist sehr schwierig, das hochleistungsfähige, kristalline Niobpentoxid mit herkömmlichen Synthesemethoden herzustellen, bei denen die Materialien Hitze und Druck ausgesetzt werden. Der unkonventionelle Syntheseansatz, der in dieser Studie erfolgreich angewandt wurde – Laden und Entladen einer Akkuzelle – könnte zur Herstellung anderer innovativer Akkumaterialien eingesetzt werden. Er könnte sogar die Herstellung neuartiger Materialien in anderen Bereichen wie Halbleitern und Katalysatoren unterstützen.

Die Studie wurde im Mai 2022 in Nature Materials veröffentlicht. Neben den erwähnten Argonne-Wissenschaftlern und Xiong von der Boise State University waren die anderen Autoren:

• Pete Barnes, Kiev Dixon, Dewen Hou, Changjian Deng, Kassiopeia Smith, Eric Gabriel, Olivia O. Maryon, Paul H. Davis, Hoayu Zhu, Paul J. Simmonds, Ariel E. Briggs, Darin Schwartz, Hui Xiong (Boise State),

• Yunxing Zuo, Ji Qi, Zhuoying Zhu, Chi Chen, Shyue Ping Ong (Universität von Kalifornien San Diego),

• Zhiyuan Ma (Argonne),

• Yingge Du, Zihua Zhu, Yadong Zhou (Pacific Northwest National Laboratory).

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