Analytik für die Batterietechnik

Batteriespeicher spielen eine entscheidende Rolle für die Transformation hin zur Nutzung erneuerbarer Energien. Batteriesysteme der nächsten Generation müssen über eine höhere Speicherkapazität, längere Lebensdauer, geringere Umweltauswirkungen und eine hohe Sicherheit verfügen. Neben der Entwicklung von Batteriematerialien und Batteriezellen bietet das Fraunhofer IST umfassende Möglichkeiten zur Charakterisierung dieser Materialien und Zellen, die ein tiefgehendes Verständnis der Materialien und Eigenschaften von Batterien erlauben. 

Probenpräparation unter Luftausschluss

Viele Batteriematerialien degradieren bei Kontakt mit Luft, was die Anwendung von Analysenmethoden unter atmosphärischen Bedingungen einschränkt. Am Fraunhofer IST steht ein Transfer-Shuttle zur Verfügung, das es ermöglicht, Batterieproben in einer Glovebox zu präparieren und unter Schutzgas in ein Rasterelektronenmikroskop (REM) zu überführen. Darin sind eine hochauflösende Bildgebung sowie chemische Analysen der unbeeinflussten Materialien möglich. In Fällen, in denen die Verwendung eines Shuttles jedoch nicht möglich ist, werden am Fraunhofer IST maßgeschneiderte Konzepte entwickelt, um die Messqualität zu gewährleisten und gleichzeitig den Kontakt mit der Luft zu verhindern.

Materialanalytik für neuartige Festkörperelektolyte

Festkörperelektrolyte haben das Potenzial, den flüssigen Elektrolyten zu ersetzen und dabei verbesserte Eigenschaften zu ermöglichen. Feste Elektrolyte ermöglichen z. B. den Einsatz von Lithiummetallanoden und können so unter anderem die Energiedichte signifikant steigern. Die Materialanalytik ermöglicht die gezielte Optimierung der Eigenschaften und ist damit essentiell für die Entwicklung. Insbesondere sulfidische Festkörperelektrolyte lassen sich z.B. mittels Ramanspektroskopie hinsichtlich ihrer Phasenreinheit analysieren. Die Partikelmorphologien sowie die hergestellten Elektroden auf Basis dieser Festkörperelektrolyte können mithilfe eines REMs untersucht werden. Darüber hinaus ermöglicht die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) eine präzise Analyse der Elementzusammensetzungen, während die Röntgenbeugung (XRD) zur Bestimmung der Kristallinität eingesetzt werden kann. Durch die Kombination dieser Methoden ergibt sich eine umfassende Materialanalytik, die wertvolle Einblicke in die Eigenschaften und das Verhalten neuartiger Festkörperelektrolyte liefert.

Elektrochemische Charakterisierung

Die Analytik der einzelnen Materialien liefert zwar wertvolle Hinweise auf ihre Eignung für den Einsatz in Batterien, jedoch lässt sich die tatsächliche Funktionalität erst in der praktischen Anwendung beurteilen. Die elektrochemische Charakterisierung ermöglicht es, das Verhalten der Batterie während des Lade- und Entladevorgangs umfassend zu charakterisieren. Durch Zyklisierungsexperimente werden sowohl die Lebensdauer als auch die Lade- und Entladeeigenschaften der Batteriezellen untersucht. Ein detaillierter Einblick in die elektrochemischen Prozesse kann durch die elektrochemische Impedanzspektroskopie gewonnen werden. Diese Methode erlaubt es, die einzelnen Transportprozesse innerhalb der Batterie detailliert zu analysieren und deren Einfluss auf die Gesamtleistung zu verstehen.

Post-mortem-Analyse – Fehlersuche bei Batterieversagen

Bei defekten Batterien ist es oft von Interesse, die Ursache für das Versagen zu identifizieren. Einerseits können die elektrochemischen Daten, die kurz vor dem Defekt aufgezeichnet wurden, wertvolle Hinweise liefern. Andererseits ermöglicht das Öffnen der Zellen und die anschließende Analyse, aufschlussreiche Informationen über die Fehlerursachen zu gewinnen. Darüber hinaus können mikroskopisch bildgebende Methoden in Kombination mit Elementaranalysen detaillierte Informationen über Grenzflächen und Materielveränderungen geben, die mit weiteren Analysemethoden validiert werden können, um ein umfassendes Verständnis der Schadensmechanismen zu gewinnen und zukünftige Probleme zu vermeiden.