Lithium-Knopfzellen, die Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) verwenden, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit aus. Allerdings nimmt ihre Kapazität im Laufe der Zeit ab. Nun ist es einem Forschungsteam erstmals gelungen, mit einer zerstörungsfreien Methode zu beobachten, wie sich die elementare Zusammensetzung der einzelnen Schichten in einer solchen Knopfzelle während der wiederholten Lade- und Entladezyklen verändert. An dieser Studie waren Arbeitsgruppen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie die Forschungsgruppe SyncLab des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und das Applikationslabor BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Die Messungen erfolgten sowohl im BLiX-Labor als auch an der Synchrotronquelle BESSY II.

Lithium-Ionen-Batterien haben sich kontinuierlich weiterentwickelt. In Knopfzellen hat sich die Kombination von geschichteten Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) als Kathodenmaterial mit einer Graphitelektrode (Anode) bewährt, wobei auch die Anodenmaterialien stetig verbessert wurden. Trotz dieser Fortschritte unterliegen selbst die leistungsfähigsten Batterien einem Alterungsprozess und verlieren mit der Zeit ihre ursprüngliche Kapazität.

„Während sich eine Batterie auflädt oder entlädt, passiert an den Grenzschichten zwischen Anode, Separator und Kathode sehr viel“, erklärt Ioanna Mantouvalou, Physikerin am HZB und Erstautorin der Studie. Üblicherweise werden die Veränderungen in Batterien erst nach deren Zerlegung analysiert, also ex situ und zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Ladezyklen. Mittlerweile gibt es jedoch fortschrittlichere Methoden: In sogenannten in situ und operando Experimenten ist es möglich, in die Batterie hineinzublicken, während die Prozesse ablaufen. Hierbei kommen Röntgenfluoreszenz (XRF) und Absorptionsspektroskopie (XAS) in einer konfokalen Anordnung zum Einsatz. Diese spezielle Geometrie erlaubt die dreidimensionale Abtastung einer Probe mit einer Tiefenauflösung von bis zu 10 Mikrometern. An der Synchrotronquelle BESSY II sind solche experimentellen Aufbauten bereits realisiert. Da die Messzeit an BESSY II jedoch begrenzt ist, können Batterien nicht über ihre gesamte Lebensdauer hinweg untersucht werden.

Aus diesem Grund verwendet Ioanna Mantouvalou im BLiX-Labor ein konfokales Mikro-Röntgenfluoreszenzspektrometer, das Proben vollautomatisch auch über längere Zeiträume analysieren kann. „Der konfokale Aufbau erlaubt es uns, die einzelnen Schichten von der NMC-Kathode bis zum Stromableiter zu differenzieren und die jeweilige elementare Zusammensetzung zu untersuchen. Dadurch erhalten wir räumlich aufgelöste Einblicke in den Betrieb, ohne den Schichtaufbau zu verändern. Und das zerstörungsfrei! Quantitativ und unter realen Betriebsbedingungen, also operando“, erklärt Mantouvalou.

Über mehrere Wochen und mehr als 10.000 Ladezyklen hinweg untersuchten die Forschenden mit dem BLiX-Instrument eine Lithium-Knopfzelle und gewannen detaillierte Daten zum fortschreitenden Abbau der NMC-Elektrode. Ergänzend wurde die gleiche Probe auch an der neuen Mikrofokus-Beamline (MiFO) im PTB-Labor an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II analysiert.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass sich in den ersten drei Wochen hauptsächlich Mangan aus der NMC-Kathode herauslöst und in Richtung der Graphitanode wandert. Dieser Prozess erstreckt sich über etwa 200 Ladezyklen. Anschließend löst sich zunehmend die Verbindung in den Zwischenschichten auf, was weitere Reaktionen und Prozesse zum Stillstand bringt. „Wir brauchen dringend solche quantitativen Ergebnisse, um Batterien weiter zu verbessern“, sagt Mantouvalou. Darüber hinaus ist das Gerät im BLiX-Labor auch im Rahmen von SyncLab für andere Experimente an anderen Materialien einsetzbar.


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https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=29986&sprache=de&seitenid=1

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (04/2025)


Publikation:
Small (2025): Operando measurement of transition metal deposition in a NMC Li-ion battery using laboratory confocal micro-X-ray fluorescence spectroscopy
Ioanna Mantouvalou, Lena Mathies, Katja Frenzel, Yannick Wagener, Leona Johanna Bauer, Daniel Grötzsch, Matthias Müller, Birgit Kanngießer, Martin Winter, Sascha Nowak, Adrian Jonas, Burkhard Beckhoff
DOI: 10.1002/smll.202502460
https://doi.org/10.1002/smll.202502460