Röntgenbildgebung erfasst flüchtige Defekte in Natrium-Ionen-Batterien
Forscherteam identifiziert schwer fassbaren Mechanismus, der zur Degradation von Natrium-Ionen-Batterien führen kann
Natrium-Ionen-Batterien wurden als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien angepriesen, da sie mit einer reichlich vorhandenen natürlichen Ressource betrieben werden. Natrium-Ionen-Batterien haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Die Kathoden bauen sich beim Aufladen schnell ab.
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Einer von der Cornell University geleiteten Arbeitsgruppe gelang es, einen schwer fassbaren Mechanismus zu identifizieren, der diesen Abbau auslösen kann - vorübergehende Kristalldefekte -, indem sie eine einzigartige Form der Röntgenbildgebung einsetzten, die es den Forschern ermöglichte, die flüchtigen Defekte zu erfassen, während die Batterie in Betrieb war.
Die Arbeit der Gruppe mit dem Titel "Operando Interaction and Transformation of Metastable Defects in Layered Oxides for Na-Ion Batteries" wurde am 14. April in Advanced Energy Materials veröffentlicht. Der Hauptautor ist der Postdoktorand Oleg Gorobstov.
Leiter des Projekts ist Andrej Singer, Assistenzprofessor und David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow in der Abteilung für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen in Cornell Engineering. Seine Forschungsgruppe untersucht nanoskalige Phänomene in Energie- und Quantenmaterialien, häufig unter Verwendung fortschrittlicher Operando-Röntgenmethoden. Diese Techniken sind besonders hilfreich, um das Verhalten von transienten Defekten zu untersuchen, die nur kurzzeitig während des Ionentransports auftreten. Daher ist vieles über ihren Lebenszyklus und ihre Auswirkungen noch unbekannt.
In Zusammenarbeit mit Forschern der University of California, San Diego, unter der Leitung von Professorin Shirley Meng, und der Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums nutzte das Team das Bragg Coherent Diffractive Imaging mit einem hochsynchronisierten Röntgenstrahl, um sich auf die Bestandteile einer geladenen Natrium-Ionen-Batterie zu konzentrieren und 3D-Schnappschüsse in Echtzeit zu erstellen, die die Morphologie und die atomaren Verschiebungen innerhalb der NaxNi1-xMnyO2-Kathoden aufzeigen.
"Operando-Messungen sind hier unverzichtbar", so Singer. "Wenn wir uns die Batterie vor und nach dem ersten Lade-/Entladezyklus ansehen würden, würden wir keine Defekte sehen. Aber während des Betriebs sehen wir, wie sich die Defekte bilden und selbst heilen und nachweisbare 'Narben' hinterlassen."
Um ihre Beobachtungen zu erklären, ließ sich das Team von Metallen inspirieren, bei denen Defekte wie Versetzungen es den duktilen Materialien ermöglichen, sich zu verformen, ohne zu brechen. Mithilfe von metallurgischen Modellen verfolgten die Forscher die Bewegung der transienten - auch metastabilen - Defekte und machten qualitative Vorhersagen über die Spannungen, die sie bei der Umwandlung und Selbstheilung des Materials bewegten.
"Versetzungen sind eindimensionale Kristalldefekte. Ihr Vorhandensein in den von uns untersuchten keramischen Kathoden ist überraschend, und die Mechanismen für ihre Bildung sind noch nicht geklärt. Wir haben festgestellt, dass sich die Versetzungen an einer sich vorübergehend bildenden Antiphasen-Domänengrenze bilden", so Gorobtsov. "Diese vorangehende Konfiguration ist ein neues Puzzleteil, von dem wir hoffen, dass es uns helfen wird, die Defektdynamik in dieser wichtigen Materialklasse besser zu verstehen".
Die Forscher richten ihre Aufmerksamkeit nun auf die Art und Weise, wie die Defekte mit den Ionen interagieren, die beim Betrieb der Batterie ein- und auswandern, d. h. auf die Ionendiffusion - ein grundlegender Mechanismus für die Energiebereitstellung. Singer wies auch darauf hin, dass die Ausrichtung der Versetzungen darauf hindeutet, dass die Form der Partikel eine wichtige Rolle bei diesem Prozess spielt. Sein Team und seine Mitarbeiter planen daher zu untersuchen, ob diese Morphologie so eingestellt werden kann, dass die Versetzungen entweder erleichtert oder beseitigt werden.
"Wir müssen erst noch verstehen, welche Rolle ausgedehnte Defekte in Batteriematerialien spielen", so Singer. "Jahrhundertelang haben Schmiede die Defekttechnik in Metallen genutzt, um stärkere und haltbarere Materialien zu schaffen, ohne sich dessen bewusst zu sein. Die Anwendung des Defect-Engineering-Ansatzes auf Keramiken ist aufgrund der elektrostatischen Aufladung eine viel größere Herausforderung. Doch mit Hilfe neuer Operando-Messungen und einem besseren Verständnis der beteiligten Mechanismen können wir diese Herausforderung nun in Angriff nehmen."
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