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. Aufgrund seiner hohen theoretischen spezifischen Speicherkapazität birgt Silizium (Si) enormes Potenzial für Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und Festkörperbatterien (SSBs) und eröffnet neue Möglichkeiten für die effiziente Speicherung von Energie.
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. Das Versagen von Batterien wird hauptsächlich durch die chemisch induzierte Neubildung der sogenannten Silizium-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) verursacht. Diese entsteht auf frisch freigelegten Siliziumoberflächen und führt zum Verlust von Lithium und Elektrolyt, was eine Reduzierung der Kapazität zur Folge hat. Neben diesen chemischen Prozessen kommt es durch Lithium-Einlagerung im Siliziumpartikel auch zu einem Übergang von der kristallinen in die amorphe Phase.
Die Literatur zeigt, dass ähnliche Phasenübergänge unter mechanischer Belastung auftreten können. Dabei destabilisieren Scherbänder und kristallografische Defekte das Kristallgitter.
Die Forschung mithilfe neuester Untersuchungsgeräte (4D-STEM, FESEM, Synchrotron-Röntgen-Nanotomographie und KI-gestützter Mikrostrukturanalyse) am MCL und bei Forschungspartnern zeigte, dass Scherbänder in Si-basierten Anoden auftreten können, ausgelöst durch Spannungen während des Zyklisierens. Diese Übergänge fördern ein ungleichmäßiges SEI-Wachstum und verändern die Spannungsverteilung in der Anode wesentlich. Eine phasenabhängige Lithiierung des aktiven Materials ist die Folge. Die Ausbildung von aufeinanderfolgenden weichen und harten Phasen im Silizium kann aber auch stabilisierend wirken, indem diese Rissbildung und Partikelzerstörung mindern und den Batterieausfall verzögern.
Auswirkungen und Perspektiven
Die veröffentlichte Studie (Bild und Informationen rechts) beleuchtet das Zusammenspiel mechanischer und chemischer Degradationsprozesse und liefert neue Einblicke über das Wirken von Siliziumanoden infolge der Lithiierung. Die Steuerung der Grenzflächenkinetik und die Entwicklung optimierter Siliziumarchitekturen sind entscheidend für die Weiterentwicklung verbesserter Energiespeicherung. Im Projekt ASSESS schaffen MCL und seine Partner (siehe unten) gemeinsam eine Grundlage für zukünftige Innovationen in der Batterietechnologie und damit zur nachhaltigen Speicherung von Energie für Elektromobilität und andere Anwendungen.
Projektkoordination
Priv.-Doz. Dr. Roland Brunner
Group Leader Material and damage analytics
Materials Center Leoben Forschung GmbH
T +43 (0) 676 848883 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
• Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Materialphysik Österreich
• Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme, Österreich
• Norwegian University of Science and Technology, Norwegen
• TU Graz - Institute of Electron Microscopy and Nanoanalysis, Österreich