Batterijen de kathode bestaat uit een mengsel van nikkel, mangaan, kobalt en lithium, momenteel beschouwd als het meest efficiënt. Maar ze hebben ook een beperkte levensduur. Vanaf de eerste cyclus verliezen ze tot% van hun capaciteit 10. Hoe dit komt en wat kan worden gedaan over de verdere geleidelijke verlies van capaciteit, nu heeft een interdisciplinair team van wetenschappers van de Technische Universiteit van München (TUM) met behulp van positron detail onderzocht.

Zogenaamde NMC-batterijen, waarvan de kathoden bestaan ​​uit een mengsel van nikkel, mangaan, kobalt en lithium, hebben conventionele lithium-kobaltoxidebatterijen grotendeels van de markt verdreven. Ze zijn goedkoper en veiliger en worden daarom onder meer gebruikt in elektrische en hybride auto's. Maar zelfs met hen draagt ​​slechts iets meer dan 50% van de lithiumatomen bij aan de daadwerkelijke capaciteit. Terwijl 62% van de lithiumatomen nog van het kristalrooster kon worden losgemaakt tijdens de eerste ontlading van de elektroden die werden onderzocht aan de Technische Universiteit van München, keert slechts 54% terug wanneer ze worden opgeladen.

In de verdere cycli verloren veel lager is, maar de capaciteit neemt geleidelijk steeds verder uit. Na enkele duizenden cycli, de resterende capaciteit is dan zo laag dat de batterij onbruikbaar.

Gevangen positron tonen gaten in het rooster

Onderzoek door andere groepen toonde aan dat niet alle lithiumatomen tijdens het opladen hun weg terug vinden in de juiste gaten in het kristalrooster. Eerdere methoden konden echter niet aantonen welke atomaire processen hiervoor verantwoordelijk zijn. Zoals zo vaak het geval was, kwam de oplossing uit interdisciplinaire samenwerking: Irmgard Buchberger, werkzaam bij de leerstoel Technische Elektrochemie aan de Technische Universiteit van München, nam contact op met Stefan Seidlmayer, die ook onderzoek doet naar batterijtechnologieën bij de FRM II-onderzoeksneutronenbron op het Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

Hij regelde het contact met Christoph Hugenschmidt, die bij de MLZ verantwoordelijk is voor het Nepomuc-instrument. Het genereert positronen, de antideeltjes van de elektronen, die kunnen worden gebruikt om specifiek naar gaten in kristalroosters te zoeken. “Als extreem kleine en zeer mobiele deeltjes kunnen positronen door materialen vliegen. Als ze een elektron raken, komen ze meteen in een flits van energie terecht, vinden ze een lege plek in het kristalrooster, dan overleven ze veel langer”, legt Markus Reiner uit, die de experimenten uitvoerde op het Nepomuc-instrument.

Omdat de positronen gevangen zitten voor een korte tijd in het lege rooster plaatsen voordat ze eindelijk vernietigd, kan worden gepersonaliseerd met positron Annihilationsspektroskopie genoemde methode nauwkeurige conclusies over de lokale omgeving drag - en dit met een zeer hoge gevoeligheid, want er kunnen gebreken concentraties om 1: 10 miljoen detecteren.

Gerichte Material Development

Uit het onderzoek blijkt duidelijk dat "gaten" die tijdens het opladen in het rooster van het kathodemateriaal achterblijven, samenhangen met het onomkeerbare capaciteitsverlies en dat deze blokkering het gevolg is van het onvoldoende opvullen van de gaten in het kathodemateriaal. "Nu zijn wij als chemici weer aan de beurt", zegt prof. Hubert Gasteiger, leerstoel Technische Elektrochemie. "Door het kathodemateriaal specifiek aan te passen, kunnen we nu zoeken naar manieren om deze barrière te omzeilen."

"Voor de Batterijenonderzoek, is de Garching-onderzoeksneutronenbron een uiterst nuttig hulpmiddel”, zegt Ralph Gilles, die de metingen coördineert voor het batterijonderzoeksproject 'Exzellum' bij de FRM II. "Met neutronen kunnen we vooral kleine atomen zoals lithium zien, zelfs door de metalen omhulsel terwijl de machine in werking is. Met de positronen hebben we nu een andere mogelijkheid geopend om de processen beter te begrijpen en zo verder te kunnen verbeteren.”

Het onderzoek werd gefinancierd door het ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) in het kader van het project Exzelltum. Ook wordt de werking van de kantoren voor de studie Coincident Doppler Verbreding Spectrometers gefinancierd door het BMBF.