10.06.2022 - Technische Universität München

Auf dem Weg zur Super-Batterie

Forschungs-Neutronenquelle ermöglicht Einblick in Lithium-Akkus

Mit Neutronen hat ein Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) tief in das Innere von Batterien geblickt, während diese geladen und entladen wurden. Die aus den Beobachtungen gewonnenen Erkenntnisse könnten dabei helfen, Ladevorgänge zu optimieren.

Wird ein Elektro-Auto aufgeladen, steigt die Ladeanzeige anfangs schnell, zum Schluss aber deutlich langsamer. „Das ist wie beim Einräumen eines Schranks: Am Anfang ist es einfach, Gegenstände in den Schrank zu stellen, aber je voller er wird, desto mehr muss man sich anstrengen einen freien Platz zu finden“, erklärt Dr. Anatoliy Senyshyn von der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM).

Wie die innere Struktur einer Batterie vor und nach dem Laden aussieht, ist bereits bekannt. Ein Forschungs-Team unter Leitung des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums an der TUM beobachtete nun erstmals auch die Lithium-Verteilung einer Batterie während des kompletten Lade- und Entladeprozesses am Materialforschungsdiffraktometer STRESS-SPEC. Die Messungen überprüften sie am hochauflösenden Pulverdiffraktometer SPODI. 

Verteilung der Lithium-Ionen entscheidend

Beim Laden wandern die Lithium-Ionen dabei von der positiv geladenen Elektrode zur negativ geladenen Elektrode, beim Entladen in die andere Richtung. 

In den nun durchgeführten Untersuchungen konnten die Forschenden beobachten, dass sich die Verteilung des Lithiums beim Laden und Entladen ständig verändert. „Ist das Lithium ungleich verteilt, funktioniert in Bereichen der Batterie, in denen zu viel oder zu wenig Lithium vorhanden ist, der Austausch von Lithium zwischen Anode und Kathode nicht zu hundert Prozent. Eine gleichmäßige Verteilung steigert dagegen die Leistungsfähigkeit“, erklärt Senyshyn.

Genauer, kleiner, besser

Den Forschenden gelang es, die ungleiche Verteilung von Lithium in einer Batterie mit sehr hoher Auflösung festzuhalten: Um die gesamte Batterie zu erfassen, untersuchten sie ein winziges Teilvolumen nach dem anderen und setzten diese Einzelmessungen dann zu einem großen Bild zusammen.

Mithilfe des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft und der European Synchrotron Radiation Facility ESRF war es möglich, Teilvolumina mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu wählen. Dadurch erkannten die Forschenden, dass nicht nur entlang der Elektrodenschichten, sondern auch senkrecht zu den Schichten das Lithium ungleich verteilt ist.

Schnell laden vs. Reichweite

Die beobachteten Effekte könnten langfristig dabei helfen, Akkus, zum Beispiel für Elektro-Autos, weiterzuentwickeln, so Senyshyn: „Viele Eigenschaften von Batterien lassen sich durch die Verteilung des Lithiums beeinflussen. Wenn wir diese besser unter Kontrolle haben, können wir die Performance von Batterien in Zukunft deutlich verbessern.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über TUM
  • News

    Neues Fell für die Quantenkatze

    Ob Magnete oder Supraleiter: Materialien sind für ihre Eigenschaften bekannt. Doch unter extremen Bedingungen können sich solche Eigenschaften spontan ändern. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Technischen Universität München (TUM) hat einen vollkommen neue ... mehr

    Pilotanlage für erneuerbaren Wasserstoff

    In Bayern soll eine Pilotanlage für die Herstellung von Wasserstoff aus Biogas entstehen. Bei der Produktion sollen der Energieverbrauch sowie der Kohlendioxid-Ausstoß im Vergleich zu konventionellen Anlagen drastisch verringert werden. Dies wird durch Integration einer elektrischen Heizung ... mehr

    Mini-Brennstoffzelle erzeugt Strom mit körpereigenem Zucker

    Traubenzucker, auch Glukose genannt, ist der wichtigste Energielieferant in unseren Körper. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) wollen den Zucker im Körper nun auch als Energiequelle für mediz ... mehr

  • Videos

    Scientists pair up two stars from the world of chemistry

    Many scientists consider graphene to be a wonder material. Now, a team of researchers at the Technical University of Munich (TUM) has succeeded in linking graphene with another important chemical group, the porphyrins. These new hybrid structures could also be used in the field of molecular ... mehr

  • q&more Artikel

    Vitalkleber, ein Protein mit Potenzial

    In fast jedem der 17 Ziele der Agenda 2030 für eine nachhaltige Entwicklung spielen Lebensmittel und deren Wertschöpfungskette eine wichtige Rolle [1]. Mit der Agenda haben die Vereinten Nationen einen globalen Handlungsrahmen geschaffen, der sich an alle gesellschaftlichen Akteure richtet. mehr

    Biobasierte Rohstoffströme der Zukunft

    Der anthropogene Klimawandel und die steigende Weltbevölkerung im Verbund mit zunehmender Urbanisierung induzieren globale Herausforderungen an unsere Gesellschaft, die nur durch technologische Fortschritte gelöst werden können. mehr

    Ein Geschmacks- und Aromaschub im Mund

    Der Ernährungstrend hin zu gesünderen Snacks ist ungebremst. Snacks aus gefriergetrockneten Früchten erfüllen die Erwartungen der Verbraucher an moderne, hochwertige Lebensmittel. Allerdings erfordert die Gefriertrocknung ganzer Früchte lange Trocknungszeiten ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Becker

    Thomas Becker, Jahrgang 1965, studierte Technologie und Biotechnologie der Lebensmittel an der Technischen Universität München (TUM). Im Anschluss arbeitete er von 1992 bis 1993 als Projektingenieur in der Fa. Geo-Konzept. Die Promotion erfolgte 1995 an der TUM. Von 1996 bis 2004 war er als ... mehr

    Monika C. Wehrli

    Monika Wehrli, Jahrgang 1994, schloss ihr Studium mit Schwerpunkt Lebensmittelverfahrenstechnik an der ETH Zürich ab. Seit 2018 forscht sie an der Technischen Universität München am Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, wo sie ihre Promotion im Bereich Getreidetechnologie und -verfah ... mehr

    Prof. Dr. Thomas Brück

    Thomas Brück, Jahrgang 1972, absolvierte sein Bachelorstudium (B.Sc.) 1996 in den Fächern Chemie, Biochemie und Management an der Keele University in Stoke on Trent, U.K. Er hält einen Masterabschluss (1997) in Molekularmedizin von derselben Universität und promovierte 2002 auf dem Gebiet d ... mehr