Lithium-Schwefel-Festkörper-Batterien: Ladungstransport direkt beobachtet

Lithium-Schwefel-Festkörper-Batterien bieten im Vergleich zu herkömm­lichen Lithium-Ionen-Batterien das Potenzial für eine wesentlich höhere Energiedichte und mehr Sicherheit. Allerdings ist die Leistungs­fähigkeit von Festkörper-Batterien derzeit noch unzureichend, was vor allem an sehr langen Ladezeiten liegt – und das, obwohl sie theoretisch eine besonders schnelle Aufladung ermöglichen sollten. Eine neue Studie von Forschern am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie zeigt nun, dass die Haupt­ursache dafür die sehr schleppende Einwanderung von Lithium-Ionen in die Verbund­kathode ist.

Das Team konstruierte eine spezielle Zelle, um den Transport von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode in einer Lithium-Schwefel-Festkörper-Batterie zu beobachten. Da sich Lithium mit Röntgen­methoden kaum nachweisen lässt, unter­suchten Robert Bradbury und Ingo Manke die Probezelle mit Neutronen, die extrem empfindlich auf Lithium reagieren. Zusammen mit Nikolay Kardjilov nutzten sie Neutronen­radio­graphie und Neutronen­tomo­graphie am CONRAD2-Instrument an der Neutronen­quelle BER II. Auch Gruppen der Uni Gießen, der TU Braunschweig und des Forschungs­zentrums Jülich waren an den Arbeiten beteiligt.

„Wir haben jetzt eine viel bessere Vorstellung davon, was die Leistung der Batterie einschränkt", sagt Bradbury. „Aus den Daten der operando Neutronen­radio­graphie sehen wir, dass sich eine Reaktions­front von Lithium-Ionen durch die Verbund­kathode ausbreitet, was den negativen Einfluss der niedrigen effektiven Ionen­leit­fähig­keit bestätigt." Darüber hinaus zeigen die 3D-Neutronen­tomo­graphie-Bilder, dass sich das einge­schlossene Lithium während des Aufladens in der Nähe des Strom­abnehmers konzentriert. Das führt zu einer verminderten Kapazität, da nur ein Teil des Lithiums beim Aufladen der Batterie zurück­trans­portiert wird.

Die beobachtete Lithium­verteilung stimmt sehr gut mit einer Modell­rechnung auf Basis der Theorie der porösen Elektroden überein. „Was wir hier in den Neutronen­bild­daten beobachten, korreliert gut mit den relevanten elektro­nischen und ionischen Leit­fähig­keits­bedin­gungen aus dem Modell", sagt Bradbury.

Diese Ergebnisse machen auf einen bisher über­sehenen Entwicklungs­engpass für Festkörper­batterien aufmerksam: Der langsame Ionen­transport begrenzt die Leistung. Die Heraus­forderung besteht nun darin, einen schnelleren Ionen­transport innerhalb des Kathoden­verbunds zu ermöglichen. „Ohne eine direkte Visuali­sierung der Reaktions­front innerhalb des Kathoden­verbunds wäre dieser Effekt möglicher­weise unbemerkt geblieben, obwohl er für die Entwicklung von Festkörper­batterien von großer Bedeutung ist", betont Bradbury.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Bradbury et al.: Visualizing Reaction Fronts and Transport Limitations in Solid-State Li–S Batteries via Operando Neutron Imaging, Adv. Energy Mat., online 20. März 2023; DOI: 10.1002/aenm.202203426
• Elektrochemische Energiespeicherung, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH