Forscher nehmen Röntgenbilder von Batterien von Elektrofahrzeugen auf, während sie sich im Laufe der Zeit verschlechtern

Toby Bond, Forscher der Canadian Light Source (CLS), verwendet Röntgenstrahlen, um bei der Konstruktion leistungsstarker Batterien für Elektrofahrzeuge mit längerer Lebensdauer zu helfen. Seine Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift der Electrochemical Society, zeigt, wie die Lade-/Entladezyklen von Batterien physische Schäden verursachen, die schließlich zu einer verringerten Energiespeicherung führen. Diese neue Arbeit weist auf einen Zusammenhang zwischen Rissen, die sich im Batteriematerial bilden, und der Erschöpfung lebenswichtiger Flüssigkeiten, die Ladung tragen, hin.

Bond verwendet die BMIT-Einrichtung an der Canadian Light Source der University of Saskatchewan, um detaillierte CT-Scans des Inneren von Batterien zu erstellen. Er arbeitet mit Dr. Jeff Dahn an der Dalhousie University zusammen und ist auf Batterien für Elektrofahrzeuge spezialisiert, bei denen es in der Forschung darauf ankommt, so viel Energie wie möglich in ein leichtes Gerät zu packen.

„Ein großer Nachteil des Packens von mehr Energie ist, dass sich die Batterie im Allgemeinen umso schneller verschlechtert, je mehr Energie Sie packen“, sagt Bond.

Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt dies daran, dass beim Aufladen Lithium-Ionen physikalisch zwischen andere Atome im Elektrodenmaterial gedrückt werden und sie auseinander drücken. Das Hinzufügen von mehr Ladung bewirkt ein stärkeres Wachstum der Materialien, die beim Verlassen der Lithiumionen wieder zusammenschrumpfen. Über viele Zyklen dieses Wachsens und Schrumpfens beginnen sich Mikrorisse im Material zu bilden, die langsam seine Fähigkeit verringern, eine Ladung zu halten.

„Es kann schließlich dazu führen, dass die Materialien in der Batterie von innen nach außen zerfallen. Wenn es schlimm genug wird, kann es dazu führen, dass sich Teile der Batterie tatsächlich in sich selbst ablösen“, sagt Bond. „Und wenn es im Inneren der Batterie zu großflächigen Schäden kommt, kann das auch zu einem Sicherheitsproblem werden.“

Das Studium dieses Problems und wie wirksam Beschichtungen und andere Behandlungen es stoppen können, ist auf diesem Gebiet seit langem wichtig. Traditionell wurden die sich in einer Batterie bildenden Risse untersucht, indem die Batterie auseinandergenommen und einzelne Partikel unter einem Elektronenmikroskop betrachtet wurden. Dadurch wird die Batterie zerstört, sodass die Forscher die größere Struktur nicht erhalten und sehen können, welche anderen Auswirkungen diese Rissbildung auf den Rest der Batterie haben könnte.

Durch die Verwendung von Röntgenbildgebung am CLS können Forscher diese Effekte im Kontext untersuchen und sehen, wie Risse im Rest der Batterie Veränderungen verursachen, sagt Bond. In dieser Studie entdeckten die Forscher, dass mit zunehmender Mikrorissbildung in der Batterie Flüssigkeiten in der Zelle in den zusätzlichen Raum zwischen den Rissen gesaugt wurden, wodurch möglicherweise nicht genug Flüssigkeit zurückbleibt, um herumzulaufen.

„Dies ist das erste Mal, dass jemand all diese Effekte zusammen in einer funktionierenden Batterie erfassen konnte“, sagt Bond. „Diese Erschöpfung des flüssigen Elektrolyten kann ernsthafte Probleme verursachen, da jeder Teil der Batterie, der nicht genug Flüssigkeit bekommt, im Wesentlichen aufhören würde zu funktionieren.“

In dieser Studie untersuchten Bond und Kollegen Batterien, die über Jahre kontinuierlich auf unterschiedliche Niveaus geladen und entladen wurden, neben ansonsten identischen Batterien, die überhaupt nicht verwendet wurden. Die 3D-Röntgenscans, die sie mit dem hellen, fokussierten Licht von BMIT erstellten, ermöglichten es ihnen, genau zu sehen, wie verschiedene Materialien durch die Verwendung beeinträchtigt wurden, sowohl im mikroskopischen Maßstab als auch in der gesamten Batterie.

Ein praktisches Mitbringsel? Das Team stellte fest, dass ein geringes Entladen des Akkus zu einer geringeren Verschlechterung führte als ein vollständiges Entladen des Akkus. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass eine geringere Ladungsänderung im Laufe der Zeit eine geringere physikalische Belastung der Batterieelektrodenmaterialien verursacht. Dieser Effekt ist für neue Anwendungen wie Langstreckentransporte, Elektroflugzeuge und die Verwendung von geparkten Elektrofahrzeugen zum Speichern und Einspeisen von Energie in das Stromnetz wichtig. Diese Szenarien erfordern oft, dass mehr von der vollen Kapazität des Akkus verwendet wird, bevor er wieder aufgeladen wird.

„Da wir damit beginnen, immer mehr Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor durch Elektrofahrzeuge zu ersetzen, ist es wirklich wichtig zu verstehen, wie sich Batterien unter verschiedenen Bedingungen verhalten“, sagt Bond. „Es ist sehr spannend, an diesen Problemen zu arbeiten, und wir brauchen wirklich Werkzeuge wie Synchrotrons, um die feinen Details dessen zu verstehen, was in der Batterie vor sich geht, wenn wir neue Ansätze ausprobieren.“