Die zunehmende Elektrifizierung benötigt Lithium (Li)-Ionen-Batterien (LiB) mit höherer Energiedichte, besserer Zyklenstabilität und längerer Lebensdauer. Um hier Verbesserungen zu erreichen spielt das Material in der Elektrode eine wichtige Rolle. Herkömmliche Graphit Anoden gepaart mit hoch-energiedichte Kathoden bringen nicht die notwendige Leistung. Neue Materialkonzepte für die Anode mit einer wesentlich höheren spezifischen theoretischen Kapazität sind gefragt. Silizium (Si) als Material birgt hier enormes Potenzial für LIBs. Derzeitige Zellen zeigen aber bei Verwendung von hoher Si Konzentration Probleme mit der Langzeitstabilität. Ein Problem ist die starke Volumenausdehnung des Si bei der Aufnahme der Li-Ionen. Trotz verbessertem elektrochemischem Verständnis sind die Auswirkungen von mechanischen Mechanismen im Zusammenhang mit dem Laden und Entladen der Elektrode sowie der einzelnen Si-Partikeln wenig erforscht. Insbesondere ein Verständnis von elektrochemischen gepaart mit mechanischen Mechanismen würde hier Potential für wesentliche Verbesserungen hinsichtlich Zyklenstabilität und Lebensdauer bringen. Nach bisherigem Verständnis, ist man davon ausgegangen, dass Si über eine sogenannte zweiphasige Coreshell Mechanismus lithiert. Dabei wird der äußere Teil des Si quasi in eine Li-Si Verbindung umgewandelt, wobei der Innere Teil des Partikels als Si erhalten bleibt. Diese Erkenntnisse stammen hauptsächlich aus in-situ durchgeführten Transmissions-Elektronenmikroskopie Experimenten. Problematisch dabei ist, dass diese Untersuchungen an idealisierten Zell-Systemen durchgeführt wurden, die eine typische Anoden-Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Si-Partikeln eingebettet in eine Poröser Matrix mit Binder Domänen etc. nicht ausweisen. Eine andere Möglichkeit möglichst nichtinvasiv zeitlich Lithierungs Vorgänge zu beobachten bietet die in situ Synchrotron Tomographie, quasi in „4D“. Bisherige Untersuchungen dazu zeigen aber große Schwächen hinsichtlich Auflösung und Kontrast. Daher konnte bisher nur die Zelle und die Elektrode während der Lithierung zufriedenstellend studiert werden. Ein Abbilden auf Partikelebene war bis dato nicht möglich.
Auswirkungen und Perspektiven
Die veröffentlichte Arbeit beleuchtet das Zusammenspiel mechanischer und chemischer Mechanismen beim Lithieren des Si, von der Elektrode bis hin zum einzelnen Partikel mittels hochauflösender 4D Synchrotron Tomographie. Dabei wird gezeigt das das ursprüngliche Coreshell-artige Bild zur Lithierung für nicht-idealisierte Elektroden nur die halbe Wahrheit ist. Eine Vielzahl der Si-Partikel lithiert eher nicht in diesem Sinne, sondern zeigt ein eher komplexes Lithierungs Verhalten, wo auch das Innere des Partikels miteinbezogen wird. Die 4D multi-skaligen Untersuchungen zeigen, dass die Stabilität der Elektrode bzw. die Lebensdauer nicht nur durch Volumenexpansion des Si, wie bisher angenommen, sondern auch signifikant durch lokale Spannungskonzentrationen sowie der Mikrostruktur beeinflusst wird. Damit können für die Zukunft wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich Verbesserung der Zyklenstabilität und Lebensdauer abgeleitet werden. Die durchgeführte Arbeit ist bahnbrechend im Bereich Batterieforschung. Diese wurde vom Journal EES Batteries als ein Leuchtturm der Forschung identifiziert und als HOT Paper 2026 erkoren.
Projektkoordination (Story)
Dr. Roland Brunner
Group Leader Material and Damage Analytics
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IC-MPPE / COMET-Zentrum
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Projektpartner
• Varta Innovation GmbH, Österreich
• Materials Center Leoben Forschung GmbH, Österreich
• AVL List GmbH, Österreich
• Virtual Vehicle Research GmbH, Österreich