In einem Artikel der Zeitschrift Joule stellen Forscherteams der McGill-Universität und der Universität von Québec in Montréal (UQAM) eine innovative Methode vor, mit der es möglich ist, die physikalischen Prozesse in den flüssigen und festen Bestandteilen von Lithium-Ionen-Zellen, auch "Li-Ion-Batterien" genannt, in Echtzeit zu beobachten.
Diese Entdeckung ermöglicht ein besseres Verständnis der Faktoren, die die Lade- und Entladegeschwindigkeit von Li-Ionen-Batterien beeinflussen, und könnte so das Aufladen von elektronischen Geräten und alltäglichen Fahrzeugen beschleunigen: Laptops, Handys, E-Bikes, E-Scooter und Elektroautos.
Unter der Leitung von Janine Mauzeroll und Steen B. Schougaard, beide Professoren für Chemie an der McGill-Universität bzw. der UQAM, arbeitete das Forscherteam gemeinsam mit einer Synchrotronstrahlungsquelle, der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Mit Hilfe von sehr intensiven Röntgenstrahlen konnte das Team die Änderungen der Lithiumkonzentration in den Zellen einer Li-Ionen-Batterie während des Lade- bzw. Entladevorgangs in Echtzeit beobachten.
"Während des Lade- oder Entladevorgangs bewegt sich Lithium in der Zelle sowohl durch einen flüssigen Elektrolyten als auch durch ein festes Aktivmaterial, und die Geschwindigkeit seiner Bewegung hängt in der Regel davon ab, wie schnell es von einer Seite der Zelle zur anderen über diese beiden Phasen hinweg wechseln kann", erklärt Jeremy Dawkins, der als Doktorand in den Laboren der Professoren Schougaard und Mauzeroll an diesem Projekt mitarbeitete. "Wir sind die ersten, die eine Methode beschreiben, mit der man die Bewegung von Lithium in den flüssigen und festen Phasen einer funktionierenden Li-Ionen-Batterie verfolgen und gleichzeitig die Leistung einer Zelle auf molekularer Ebene quantifizieren kann."
Dieser Fortschritt könnte nicht nur für die hochspezialisierte Forschung im Bereich der Batterien bedeutsam sein, sondern auch die Alltagsnutzung von elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen für Herr und Frau Jedermann beeinflussen. "Der Nutzen dieser Forschung liegt darin, dass sie Forschungsteams ein innovatives Werkzeug an die Hand gibt, um die Leistung von Li-Ionen-Batterien zu studieren, was ganz neue Perspektiven eröffnet, die bisher nicht denkbar waren", fährt Jeremy Dawkins fort. "Wir hoffen, dass diese Entdeckung die Forschung an Batterien beschleunigt, beispielsweise durch eine viel schneller voranschreitende Verbesserung der Elektrodenarchitektur. Die Leistungsfähigkeit der Batterien, die wir täglich nutzen, könnte dadurch verbessert werden."
Das Forscherteam ist glücklich darüber, die Studie trotz COVID-19 erfolgreich abgeschlossen zu haben. Die Forscher der McGill-Universität und der UQAM befanden sich in Montreal, während die ESRF - der Ort der Berechnungen - in Grenoble, Frankreich, liegt. Als die öffentliche Verwaltung im Jahr 2020 aufgrund der Pandemie Reisebeschränkungen verhängte, stand das Schicksal der Studie plötzlich auf der Kippe. "Die Fakultäten für Naturwissenschaften der McGill und der UQAM erteilten Ausnahmegenehmigungen, die es Teammitgliedern ermöglichten zu reisen, damit die Bewertungen durchgeführt werden konnten", erinnert sich Prof. Mauzeroll. "Unsere Kollegen an der ESRF in Frankreich gaben ihr Bestes, um unsere Proben mitten in der Pandemie zu bewerten, fügt Jeremy Dawkins hinzu. Dank unserer Entschlossenheit und einer guten Portion Glück konnten wir die notwendigen Bewertungen in der knappen uns zur Verfügung stehenden Zeit durchführen."
Die Studie "Mapping the total lithium inventory of Li-ion batteries" von Jeremy Dawkins, Janine Mauzeroll und anderen wurde in Joule veröffentlicht.