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Oktober

Bild des Monats Oktober 2024

Aufklärung der Mikrostruktur von abgeschiedenen Lithium- und Natriumfilmen in anodenfreien Feststoffbatterien

In sogenannten „anodenfreien“ Feststoffbatterien wird auf die Verwendung von Alkalimetallfolien beim Zellbau verzichtet. Stattdessen wird eine einfache Stromableiterfolie verbaut. Der Begriff „anodenfrei“ ist daher streng genommen nicht korrekt, hat sich jedoch in der Batteriecommunity etabliert. Die eigentliche Metallanode bildet sich erst im ersten Ladeschritt durch die Abscheidung von im Kathodenmaterial gespeicherten Alkalimetallionen. Dieser Ansatz erhöht nicht nur die Energiedichte der Zelle, sondern umgeht auch den schwierigen Umgang mit hochreaktiven Lithium- und Natriumfolien, die in fast jeder Umgebung störende Passivierungsschichten bilden.

Die Mikrostruktur der abgeschiedenen Metallanode (z. B. Korngröße, Orientierung, Korngrenzen) beeinflusst entscheidend die Lade- und Entladeeigenschaften. Bisher war die Mikrostruktur von elektrochemisch abgeschiedenem Lithium und Natrium jedoch aufgrund analytischer Herausforderungen weitgehend unbekannt. In einer kürzlich in Nature Materials erschienenen Veröffentlichung wird gezeigt, wie durch eine Kombination aus Präparation mittels FIB-SEM bei kryogenen Temperaturen, Inertgas-Transfer und Elektronenrückstreubeugung (EBSD) diese Mikrostrukturen analysiert werden konnten. Der notwendige Aufbau ist in Bild a) dargestellt, während die Rückstreumuster von Lithium und Natrium in b) und c) gezeigt werden. Anhand von drei relevanten Materialsystemen (d-f) konnte demonstriert werden, dass sich sehr große Alkalimetallkörner bilden (teilweise >100 µm), die eine kolumnare Struktur aufweisen.

Das gewonnene Wissen sowie die entwickelte Methode können nun genutzt werden, um die Lade- und Entladeeigenschaften von Metallanoden besser zu verstehen und gezielt zu optimieren.

Veröffentlichung: Fuchs, T.; Ortmann, T.; Becker, J.; Haslam, C. G.; Ziegler, M.; Singh, V. K.; Rohnke, M.; Mogwitz, B.; Peppler, K.; Nazar, L. F.; Sakamoto, J.; Janek, J. Nat. Mater. 2024. DOI: 10.1038/s41563-024-02006-8.

Dieses Bild wurde eingereicht von Till Fuchs und Dr. Joachim Sann, AG Prof. Dr. Jürgen Janek.

Weitere Einblicke in die Arbeiten der am ZfM beteiligten Arbeitsgruppen finden sie in der Galerie der Bilder des Monats.