04.05.2020 - University of Birmingham

MRI-Scannen unterstützt Batteriedesign der nächsten Generation

Technik ermöglicht schnellere Bewertung neuer Batteriematerialien

Die Magnetresonanztomographie (MRT) kann eine wirksame Methode zur Unterstützung der Entwicklung der nächsten Generation wiederaufladbarer Hochleistungsbatterien darstellen, so die Forschungsergebnisse unter Leitung der Universität Birmingham.

Die Technik, die entwickelt wurde, um die Bewegung und Ablagerung von Natrium-Metallionen in einer Natriumbatterie zu erkennen, wird eine schnellere Bewertung neuer Batteriematerialien ermöglichen und dazu beitragen, die Markteinführung dieser Art von Batterien zu beschleunigen.

Natriumbatterien sind weithin als ein vielversprechender Kandidat für den Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien anerkannt, die derzeit in Geräten wie tragbaren Elektronikgeräten und Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind. Mehrere der für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien erforderlichen Materialien sind kritische oder strategische Elemente, weshalb die Forscher an der Entwicklung alternativer und nachhaltigerer Technologien arbeiten.

Obwohl Natrium viele der Eigenschaften zu besitzen scheint, die zur Herstellung einer effizienten Batterie erforderlich sind, gibt es Herausforderungen bei der Optimierung der Leistung. Der Schlüssel dazu ist das Verständnis, wie sich das Natrium im Inneren der Batterie während des Lade- und Entladezyklus verhält, wodurch die Versagenspunkte und Degradationsmechanismen identifiziert werden können.

Ein Team unter der Leitung von Dr. Melanie Britton von der School of Chemistry der Universität Birmingham hat zusammen mit Forschern der Universität Nottingham eine Technik entwickelt, bei der mittels MRT-Scanning überwacht wird, wie sich das Natrium in operando verhält.

Dem Forschungsteam gehörten auch Wissenschaftler der Gruppe Energiematerialien der School of Metallurgy and Materials der Universität Birmingham und des Imperial College London an. Ihre Ergebnisse werden in Nature Communications veröffentlicht.

Diese bildgebende Technik wird es den Wissenschaftlern ermöglichen zu verstehen, wie sich das Natrium bei der Wechselwirkung mit verschiedenen Anoden- und Kathodenmaterialien verhält. Sie werden auch in der Lage sein, das Wachstum von Dendriten zu überwachen - astähnliche Strukturen, die im Laufe der Zeit im Inneren der Batterie wachsen und zum Versagen der Batterie führen oder sogar Feuer fangen können.

"Da es sich bei der Batterie um eine verschlossene Zelle handelt, kann es schwierig sein, den Fehler zu erkennen, wenn er schief geht", erklärt Dr. Britton. "Wenn man die Batterie auseinandernimmt, führt dies zu internen Veränderungen, die es schwer machen, den ursprünglichen Fehler zu erkennen oder festzustellen, wo er aufgetreten ist. Aber mit Hilfe der von uns entwickelten MRT-Technik können wir tatsächlich sehen, was im Inneren der Batterie vorgeht, während sie in Betrieb ist, was uns beispiellose Einblicke in das Verhalten des Natriums gibt".

Diese Technik gibt uns Informationen über die Veränderung innerhalb der Batteriekomponenten während des Betriebs einer Natriumionenbatterie, die uns derzeit durch andere Techniken nicht zur Verfügung stehen. Dies wird es uns ermöglichen, Methoden zur Erkennung von Ausfallmechanismen zu identifizieren, sobald sie auftreten, und uns Einblicke in die Herstellung von Batterien mit längerer Lebensdauer und höherer Leistung geben.

  • Britton et al.; "Operando visualisation of battery chemistry in a sodium ion battery by 23Na magnetic resonance imaging"; Nature Communications; 2020

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