25.05.2020 Batterieforschung: Lithium kommt in Sicht

Mittelhessisches Forschungsteam entwickelt Verfahren, um Kathodenmaterial atomgenau zu kartieren

Tritt ein STEM-Elektronenstrahl (weiß) durch die Anordnung der Atome in Lithium-Nickel-Oxid (Bildmitte), so entsteht ein Bild (unten), aus dem auf die Lage der Atome zurückgerechnet werden kann. Das untersuchte Material könnte auf der Kathodenseite von Batterien eingesetzt werden (links symbolisiert).
Illustration: Elisa Monte, JLU
Tritt ein STEM-Elektronenstrahl (weiß) durch die Anordnung der Atome in Lithium-Nickel-Oxid (Bildmitte), so entsteht ein Bild (unten), aus dem auf die Lage der Atome zurückgerechnet werden kann. Das untersuchte Material könnte auf der Kathodenseite von Batterien eingesetzt werden (links symbolisiert). Kleines Bild unten: Sie nutzen ausgeklügelte mikroskopische Methoden, um die Grundlage für bessere Batterien zu schaffen (von links): Professorin Dr. Kerstin Volz, Shamail Ahmed und Dr. Anuj Pokle vor dem Raster-Transmissionselektronenmikroskop am Wissenschaftliche Zentrum für Ma-terialwissenschaften der Philipps-Universität Marburg.

Eine Kombination mikroskopischer Verfahren rückt leistungsfähigere Batteriematerialien in greifbare Nähe. Das zeigt eine mittelhessische Forschungsgruppe in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“. Das Team schaffte es, zu zeigen, wie die Verbindung Lithium-Nickel-Oxid aufgebaut ist – eine Voraussetzung dafür, das Material erfolgreich in Lithium-Ionen-Batterien einzusetzen.

Keine Energiewende ohne Energiespeicherung – umweltschonende Technologien erfordern leistungsfähige Batterien. Lithium-Ionen-Batterien haben sich seit Anfang der 1990er Jahre als führende Technologie für die Speicherung elektrochemischer Energie durchgesetzt. Ihre Herstellung ließe sich verbilligen, wenn man das preiswerte Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2) für die Kathode verwenden könnte, also für den Pluspol. „Das Material erleidet jedoch beim Laden und Entladen Schaden wegen des hohen Nickelgehalts, vor allem an der Oberfläche“, erklärt der Gießener Chemiker Professor Dr. Jürgen Janek, einer der Leitautoren der aktuellen Veröffentlichung. „Dies behindert den kommerziellen Einsatz von Lithium-Nickel-Oxid seit langer Zeit.“

Worauf diese Materialumwandlung beruht, ist in den mechanistischen Details bisher unklar – der Grund: „Es gab bisher keine experimentelle Methode, um die Anordnung aller einzelnen Atome in Lithium-Nickel-Oxid sichtbar zu machen“, wie die Marburger Physikerin Professorin Dr. Kerstin Volz erläutert, die Seniorautorin der Studie. „Insbesondere fehlen experimentelle Ergebnisse an Materialien, wie sie tatsächlich in einer Batterie verwendet werden könnten.“

Sie nutzen ausgeklügelte mikroskopische Methoden, um die Grundlage für bessere Batterien zu schaffen (von links): Professorin Dr. Kerstin Volz, Shamail Ahmed und Dr. Anuj Pokle vor dem Raster-Transmissionselektronenmikroskop am Wissenschaftliche Zentrum für Materialwissenschaften der Philipps-Universität Marburg.
Foto: Thomas Demuth

Um diese Forschungslücke zu füllen, taten sich die Arbeitsgruppen von Volz und Janek zusammen. Das Team nutzte eine Kombination mehrerer Verfahren der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM). Mit diesem Ansatz ist es der Gruppe gelungen, die Anordnung der Elemente Atom für Atom abzubilden. „Wir sind überzeugt, dass unsere Resultate helfen, neue Materialien mit verbesserter Stabilität zu entwickeln“, schreibt das Autorenteam.

Professorin Dr. Kerstin Volz lehrt Physik an der Philipps-Universität Marburg. Sie leitet hier das „Wissenschaftliche Zentrum für Materialwissenschaften“, ist Sprecherin des Graduiertenkollegs "Funktionalisierung von Halbleitern" (GRK 1782) und stellvertretende Sprecherin des Sonderforschungsbereichs „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ (SFB 1083) der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Dr. Jürgen Janek ist Professor für Physikalische Chemie an der Justus-Liebig-Universität Gießen, Geschäftsführender Direktor des Gießener „Zentrums für Materialforschung“ und wissenschaftlicher Leiter des BASF/KIT-Gemeinschaftslabors "BELLA", das ebenfalls an der Studie beteiligt ist. Zudem ist er Koordinator des Kompetenzclusters „Festbatt“, der vom Bundesforschungsministerium finanziert wird.

Materialforschung gehört zu den Forschungsschwerpunkten des Forschungscampus Mittelhessen (FCMH). Der FCMH ist eine hochschulübergreifende Einrichtung der Justus-Liebig-Universität Gießen, der Philipps-Universität Marburg und der Technischen Hochschule Mittelhessen, deren Aufgabe in der Stärkung der regionalen Verbundbildung in der Forschung, Nachwuchsförderung und Forschungsinfrastruktur liegt. Link zum Campus-Schwerpunkt Materialforschung: http://www.fcmh.de/mat

Originalveröffentlichung: Shamail Ahmed, Matteo Bianchini, Anuj Pokle & al.: Visualization of Light Elements using 4D STEM: The Layered-to-Rock Salt Phase Transition in LiNiO2 Cathode Material, Advanced Energy Materials 2020, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202001026

Pressemitteilung zum Projekt „FESTBATT“

Informationen zu Lithium-Nickel-Oxid