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Hochaufgelöste Analyse offenbart Bewegungen in der kristallinen Akku-Kathode während des Aufladens
In den Akkus von Laptops und Smartphones wandern Lithiumionen beim Laden und Entladen ständig hin und her – von der Anode zur Kathode und wieder zurück. Was genau bei dieser Wanderung in der Kathode passiert, konnten nun amerikanische Forscher mit Röntgenstrahlung beobachten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, fokussierten sie ihre Analyse auf winzige Defektstellen in nanostrukturiertem Lithiumnickelmanganoxid – kurz LNMO. Just die Bewegung dieser Defektstellen lieferte Hinweise, um die mehr oder weniger lange Lebensdauer von Lithiumionen-Akkus zu erklären.
„Defekte haben eigentlich einen schlechten Ruf“, sagt Oleg Shpyrko von der University of California – San Diego. Doch wenn sich das Verhalten der Defekte gezielt steuern ließe, könnten bessere und stabilere Akku-Materialien entwickelt werden. Zusammen mit seinen Kollegen setzte Shpyrko eine Lithiumionen-Knopfzelle den stark gebündelten Röntgenpulsen einer Synchrotronquelle aus. Die Pulse wurden während des Ladevorgangs von Nanopartikeln in der Akku-Elektroden gestreut. Aus den Daten dieser Röntgenbeugung rekonstruierten die Forscher die Bewegung der Defekte in der Kristallstruktur bis auf 35 millionstel Millimeter genau.
Beim Aufladen verließen nun Lithiumionen den Kristallverbund der Lithiumnickelmanganoxid-Kathode und konzentrierten sich in der Anode aus Lithium und Grafit. Parallel bewegten sich in der Kathode winzige Defektstellen und legten dabei Strecken von einigen hundert Nanometern zurück. Aus diesen Bewegungen konnten die Forscher auf das mehr oder weniger elastische Verhalten der Kristallstrukturen in der Kathode schließen. Denn während der Ladezyklen bauten sich innere Spannungen auf. Trotz dieser mechanischen Belastung blieb die Kristallstruktur erstaunlich stabil. „Ein LNMO-Kristall kann sich ausdehnen und schrumpfen, ohne dass es zu Brüchen kommt“, erläutert Shirley Meng, die an diesen Versuchen beteiligt war.
Die Forscher erkannten, dass die Wanderung der Defekte einen Grund für die große Stabilität und damit Langlebigkeit der LNMO-Kathode offenbarte. So schützte sich der Kristall durch eine überraschende Ausdehnung in alle Richtungen vor allzu großen mechanischen Belastungen an potenziellen Bruchstellen. Mit diesem Wissen könnten nun neue Kathoden-Werkstoffe mit noch höherer Stabilität entwickelt werden. Das wäre eine Basis für langlebigere Lithiumionen-Akkus, die nicht mehr nach einigen Jahren und tausenden Ladezyklen ersetzt werden müssten.
