Auf der Suche nach dem "heiligen Gral": Forscher beobachten Lithium-Ionen in Echtzeit

Die Darstellung von Li-Ionen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist der "heilige Gral" bei der Untersuchung von Materialien für Li-Ionen-Batterien (LIB). Die Verfolgung des Lithiierungsprozesses im TEM könnte ein tieferes Verständnis für den Mechanismus des Elektrodenabbaus während der Batteriezyklen liefern, was die Modifizierung des Materials zur Verbesserung der Leistung beschleunigt. Diese Studie wird von Prof. Dong Su (Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften) geleitet.

Dank der jüngsten Fortschritte bei den analytischen TEM-Techniken, wie z. B. der Annular Bright Field (ABF)-Methode, dem integrierten differentiellen Phasenkontrast und der Ptychographie, ist es jetzt möglich, die Li-Ionenstellen in einem Kristall zu identifizieren. Das Elektronen-Energieverlust-Spektrum kann ebenfalls zum Nachweis von Li-Ionen verwendet werden, indem die Energieverlustkante erkannt wird. Diese Methoden sind jedoch eine Herausforderung für strahlungsempfindliche Proben wie die feste Elektrolyt-Zwischenphase (SEI) und Lithium-Dendriten, die für die Langzeitzyklen von LIBs unerlässlich sind. Mit Cryo-TEM kann die Probe auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff eingefroren werden, so dass die hochenergetischen Elektronen die SEI nicht so leicht beschädigen. Durch die Kombination von Kryo-TEM und Tomographie kann die dreidimensionale Morphologie von Li-Dendriten rekonstruiert werden, was mehr strukturelle Informationen liefert, die in zweidimensionalen Bildern verborgen sind.

"Aufgrund der komplexen Kinetik von Elektrodenmaterialien während der Batteriezyklen ist es von großer Bedeutung, den Li-Ionendiffusionsprozess in Echtzeit zu beobachten. In den letzten zehn Jahren wurden viele aufregende Ergebnisse durch In-situ-TEM-Experimente erzielt, darunter Phasenübergänge, Ionendiffusion, Defektentwicklung und Valenzänderungen. Während die konventionelle Trockenzellenanordnung dazu dient, die Veränderung des Elektrodenmaterials selbst zu untersuchen, können die Forscher nun die Reaktion zwischen Elektrode und flüssigem Elektrolyten mit der Flüssigzellentechnik untersuchen. In Kombination mit neuen Methoden können wir den Reaktionsprozess tiefgreifend verstehen und den Mechanismus auf die Veränderung von Elektrodenmaterialien übertragen". sagt Su.

Trotz hervorragender Ergebnisse behindern die neuen Methoden noch immer die Untersuchung von LIB-Materialien. Zum Beispiel erfordert die Erklärung von ABF- und Ptychographie-Bildern in der Regel eine komplexe theoretische Simulation. Außerdem könnte die kontinuierliche Beobachtung von Elektrodenmaterialien die Probe während des In-situ-Experiments beschädigen. Daher sollten mehr Anstrengungen unternommen werden, um diese Methoden zu verbessern. Eine Möglichkeit, die Schwierigkeiten zu überwinden, ist die Kombination von Techniken. So könnte beispielsweise die Durchführung einer Niedrigdosis-Methode während des In-situ-TEM den Strahleneffekt minimieren. Maschinelles Lernen ist ebenfalls ein Weg, um die Datenanalyse zu vereinfachen und die verborgene Korrelation zwischen Eigenschaft und Struktur zu entdecken.