Echtzeitbeobachtung der Metallionenauflösung in Lithiumbatteriekathoden mittels MRT
Diese Technik kann dazu beitragen, die Funktionsweise der Reaktionen in Batterien zu verstehen und alternative Batterietechnologien zu testen
Viele der Geräte, die das moderne Leben bequem und effizient machen, sind auf wiederaufladbare Batterien angewiesen. Lithium-Ionen-Batterien, einer der am häufigsten verwendeten Typen, sind kostengünstig und arbeiten mit einer hohen Betriebsspannung, was sie ideal für viele elektronische Geräte und Elektrofahrzeuge macht. Sie haben jedoch immer wieder das Problem, dass ihre Leistung bei wiederholter Verwendung nachlässt, und es gibt zunehmend Bedenken hinsichtlich der Sicherheit bei der Verwendung dieser Batterien, wenn sie altern
Veranschaulichung, wie die MRT zur Beobachtung der Auflösung von Metallionen eingesetzt wurde
©Hellar et al.
Eine der Ursachen für diesen Leistungsabfall ist die Auflösung der Metallionen in der Kathode in den Elektrolyten der Batterie. Allerdings war es bisher schwierig, diesen Prozess zu untersuchen, da die bei der Auflösung entstehenden Mengen sehr gering sind. Um zu verstehen, was in der Batterie an der Kathode geschieht, müssen die Forscher daher wissen, wo, wann und in welchem Umfang die Auflösung stattfindet, bevor sie das Problem angehen können.
Forscher der Tohoku-Universität haben an einer Methode gearbeitet, mit der die Auflösung des Metallions in der Kathode nachgewiesen und untersucht werden kann. Mit Hilfe der Kernspintomographie (MRI) konnten sie die Auflösung direkt und in Echtzeit beobachten.
Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden am 13. Februar 2025 in Communications Materials veröffentlicht.
Laut Nithya Hellar, Forscherin am Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM) an der Tohoku-Universität, "zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Studie, dass die Auflösung einer sehr kleinen Menge Mangan (Mn) mit hoher Empfindlichkeit durch MRT nachgewiesen und in Echtzeit sichtbar gemacht werden kann, was die Geschwindigkeit der Forschung erheblich beschleunigen kann."
Ein MRT ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das Magnetfelder und Radiowellen nutzt, um bildgebende Scans zu erstellen. Um die Sichtbarkeit der interessierenden Bereiche in einem MRT-Bild zu verbessern, werden Kontrastmittel wie Gadolinium verwendet. Gadolinium ist paramagnetisch und kann die magnetischen Eigenschaften der Zielbereiche verändern, wodurch deren Sichtbarkeit im MRT erhöht wird.
Die Gruppe der Tohoku-Universität konnte sich dieses Prinzip der MRT zunutze machen, da das aus der Kathode gelöste Mn paramagnetisch ist. Konkret untersuchten sie die Auflösung von Mn2+ aus der spinellartigen LiMn2O4-Kathode in einem handelsüblichen Batterieelektrolyten LiPF6 EC:DMC. Wenn also eine Auflösung stattfindet, würde sich dies in den MRT-Bildern durch eine Zunahme der Signalintensität bemerkbar machen, und genau das haben sie auch gesehen. Der Einsatz der MRT ermöglichte es ihnen, die Auflösung direkt und in Echtzeit zu beobachten.
Die Forscher nutzten diese Technik, um zu untersuchen, ob ein alternatives Elektrolytsystem die Auflösung unterdrücken könnte. Mit Hilfe der MRT konnten sie die Auflösung des Metallions beobachten. Daraus folgt auch, dass die Auflösung nicht stattfand, wenn das Signal nicht anstieg. Sie testeten das von Forschern des Batterieforschungszentrums MEET (Munster Electrochemical Energy Technology) der Universität Münster entwickelte Elektrolytsystem LiTFSI MCP, von dem sie annahmen, dass es die Auflösung des Metallions unterdrücken würde. Die Signalintensität im MRT war nicht signifikant erhöht. Daraus schlossen sie, dass keine Auflösung stattfand.
Die Anwendung dieser Testmethode bietet den Forschern eine unschätzbare Hilfe bei der "Untersuchung der Auflösung von Metallionen in beliebigen elektrochemischen Systemen unter verschiedenen elektrochemischen Bedingungen, wie z. B. Änderung der Elektrolytlösung, des Salzes, der Elektroden und der Zusatzstoffe. Diese Identifizierungsmethode kann dazu beitragen, Materialien für Lithiumbatterien zu entwickeln und ihre Leistung zu verbessern", so Junichi Kawamura, emeritierter Professor an der Tohoku-Universität.
Mit Blick auf die Zukunft ist es sehr vielversprechend, dass diese Technik den Forschern helfen kann, die Funktionsweise der Reaktionen in diesen Batterien zu verstehen und alternative Batterietechnologien zu testen. "Wir glauben, dass die hier entwickelte Methode die seit langem unbeantwortete Frage beantworten kann, wann, wo und wie die Auflösung von Metallionen in der Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien stattfindet, und dass sie auf andere elektrochemische Systeme ausgeweitet werden kann", so Hellar.
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