Der Wandel zur Elektrifizierung erfordert Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte, besserer Zyklenstabilität und längerer Lebensdauer. Dafür sind neue Elektrodenmaterialien notwendig, um die nächste Batteriegeneration voranzutreiben. Silizium (Si) mit seiner hohen Energiekapazität birgt enormes Potenzial für Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und Festkörperbatterien (SSBs) und eröffnet neue Möglichkeiten in der Energiespeicherung.
Trotz Fortschritten im Verständnis der elektrochemischen Eigenschaften von Si-Anoden sind die Auswirkungen von Volumenänderungen und mechanischen Belastungen auf die kristalline Struktur von Silizium noch wenig erforscht. Die Degradation wird vor allem durch die Reformierung der Silizium-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) ausgelöst. Risse in der SEI-Schicht legen frisches Silizium frei, was zu wiederholtem SEI-Wachstum führt und dadurch eine dicke Silizium-Elektrolyt-Verbundschicht (SEC) entsteht. Neben diesen chemischen Prozessen kommt es durch Lithium-Einlagerung im Siliziumpartikel auch zu einem Übergang von der kristallinen in die amorphe Phase.
Studien zeigen, dass ähnliche Phasenübergänge unter mechanischer Belastung wie Kompression oder Nanoindentation auftreten. Dabei destabilisieren Scherbänder und kristallografische Defekte das Kristallgitter.
Unsere Forschung zeigt mithilfe von 4D-STEM, FESEM, Synchrotron-Röntgen-Nanotomographie und KI-gestützter Mikrostrukturanalyse, dass Scherbänder in Si-basierten Anoden auftreten können, ausgelöst durch Spannungen während des Zyklisierens. Diese Übergänge fördern ein ungleichmäßiges SEC-Wachstum und verändern die Spannungsverteilung in der Anode. Zusätzlich beschleunigen phasenabhängige Lithiierungsgeschwindigkeiten diese Prozesse. Überraschenderweise könnten diese Phasenübergänge langfristig stabilisierend wirken, indem sie Rissbildung und Partikelzerstörung mindern und den Batterieausfall verzögern.
Auswirkungen und Perspektiven
Diese Studie beleuchtet das Zusammenspiel mechanischer und chemischer Degradationsprozesse und liefert neue Einblicke in Siliziumanoden. Die Steuerung von Grenzflächenkinetiken und die Entwicklung optimierter Siliziumarchitekturen sind entscheidend für die Weiterentwicklung der Energiespeicherung. In Zusammenarbeit mit Materials Center Leoben Forschung GmbH, Montanuniversität Leoben, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Varta Innovation GmbH und ESRF – The European Synchrotron schaffen wir eine Grundlage für zukünftige Innovationen in der Batterietechnologie.
Projektkoordination (Story)
Priv.- Doz. Dr. Roland Brunner
Group Leader Material and damage analytics
Materials Center Leoben Forschung GmbH
T +43 (0) 3842 45922 - 620
roland.brunner(at)mcl.at
IC-MPPE / COMET-Zentrum
Materials Center Leoben Forschung GmbH
Vordernberger Straße 12
8700 Leoben
T +43 (0) 3842 45922-0
mclburo(at)mcl.at
www.mcl.at
Projektpartner
• Materials Center Leoben Forschung GmbH, Österreich
• Montanuniversität Leoben, Österreich
• ESRF- The European Synchrotron, Frankreich
• Erich Schmid Institute of Materials Science, Austrian Academy of Sciences, Österreich
• Varta Micro Innovation GmbH, Österreich
• Varta Microbattery GmbH, Deutschland
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