Die TU Graz hat einen wegweisenden Fortschritt in der Forschung zu Lithium-Eisenphosphat-Akkus erzielt, einem der zentralen Materialien für die Produktion von Batterien, die in Elektrofahrzeugen, stationären Energiespeichern und verschiedenen Werkzeugen Verwendung finden. Diese Akkus sind aufgrund ihrer Langlebigkeit und Sicherheit bei der Handhabung sehr begehrt, da sie nicht zur Selbstentzündung neigen und zudem vergleichsweise kostengünstig sind. Dennoch gibt es ein erhebliches ungelöstes Problem: In der Praxis zeigen diese Akkus eine bis zu 25-prozentige Abweichung von ihrer theoretischen Kapazität, was die Effizienz beeinträchtigt und Fragen hinsichtlich ihrer Nutzung aufwirft.
Um diese unerklärlichen Kapazitätsverluste zu verstehen, haben Forschende an der TU Graz tiefere Einblicke in den Mechanismus der Lithium-Ionen in der Kathode des Akkus gewonnen. Daniel Knez, ein führender Wissenschaftler des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik, erklärt: „Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass auch bei vollständigem Laden der Testbatteriezellen Lithium-Ionen im Kristallgitter der Kathode zurückbleiben, anstatt zur Anode zu wandern. Diese immobilen Ionen kosten Kapazität.“ Es zeigt sich, dass diese zurückgehaltenen Ionen ungleichmäßig verteilt sind, was zu einer signifikanten Reduzierung der Leistungsfähigkeit der Batterien führt.
Durchbruch in der Analyse von Lithium-Ionen
Die Forscher haben mithilfe von Transmissionselektronenmikroskopen das Verhalten von Lithium-Ionen im Batteriematerial genauestens untersucht. Ihre Methodik ermöglichte es, die Anordnung dieser Ionen innerhalb des Kristallgitters der Eisenphosphat-Kathode mit beispielloser Auflösung abzubilden. Die gewonnenen Daten geben einen klaren Hinweis darauf, dass die Lithium-Ionen durch physikalische Effekte nicht effizient durch die Struktur der Kathode geleitet werden können. Insbesondere fanden die Wissenschaftler Verzerrungen im Kristallgitter, die als Hindernisse für die Ionendiffusion fungieren.
„Diese Details liefern wichtige Hinweise auf physikalische Effekte, die der Batterieeffizienz bislang entgegenwirken und die wir bei der Weiterentwicklung der Materialien berücksichtigen können“, fügt Ilie Hanzu, ebenfalls involviert in die Studie, hinzu. Dies ist ein bedeutender Schritt zur Verbesserung der Akkuleistung, da es die Grundlage für künftige Entwicklungen in der Batterietechnologie bietet.
Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse
Die Forschungsteams der TU Graz haben die strukturmodifizierten Batteriematerialien durch innovative Methoden genau analysiert, darunter die Kombination von Elektronenenergieverlustspektroskopie und atomar auflösenden Bildgebungsverfahren. Die Ergebnisse dieser Untersuchung, die in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht wurden, könnten weitreichende Folgen für die Zukunft der Batterieforschung haben. Nikola Šimić, Erstautor der Veröffentlichung, erklärt: „Durch die Kombination verschiedener Untersuchungsmethoden konnten wir bestimmen, wo das Lithium in den Kristallkanälen positioniert ist und auf welchen Wegen es dort hingelangt.“
Ein entscheidender Aspekt dieser Forschung ist, dass die entwickelten Methoden auch auf andere Batteriematerialien übertragbar sind, was die Möglichkeiten zur Verbesserung der Akkuleistung erheblich erweitert. Mit nur geringfügigen Anpassungen können ähnliche Analysen an verschiedenen Arten von Batterien durchgeführt werden, was den Fortschritt in der Feld der Energiespeicherung beschleunigen könnte.
Die Ergebnisse dieser Studie sind im Kontext des Fachbereichs „Advanced Materials Science“ der TU Graz angesiedelt, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der Institution. Die Forscher sind optimistisch, dass die tiefere Einsicht in die Lithium-Ionen-Diffusion nicht nur die Effizienz bestehender Batterien verbessern, sondern auch neue Wege für die Entwicklung zukünftiger Energiespeichertechnologien eröffnen wird.
In der Veröffentlichung mit dem Titel „Phase Transitions and Ion Transport in Lithium Iron Phosphate by Atomic-Scale Analysis to Elucidate Insertion and Extraction Processes in Li-Ion Batteries“ sind mehrere Wissenschaftler beteiligt, darunter Nikola Šimić, Anna Jodlbauer und Michael Oberaigner. Diese Erkenntnisse markierten einen Wendepunkt in der Forschung von Lithium-Ionen-Batterien und könnten entscheidend für die Entwicklung der nächsten Generation von Energiespeicherlösungen sein.
