Metallbasierte Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus bieten im Vergleich zu herkömmlichen Graphit-Elektroden eine deutlich höhere Speicherkapazität. Allerdings sind sie anfällig für mechanische Belastungen, die während der Lade- und Entladezyklen auftreten und langfristig zur Degradation der Batterie führen. Ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat nun untersucht, wie hochporöse Zinn-Schäume diesen Effekt abmildern können – mit vielversprechenden Ergebnissen für die Zukunft der Batterietechnologie.
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Höhere Speicherkapazität, aber mechanische Herausforderungen
Graphit gilt als etabliertes Material für die Anode von Lithium-Ionen-Batterien, da es eine stabile Struktur mit minimalen Volumenänderungen während der Ladezyklen bietet. Die begrenzte Kapazität von Graphit führt jedoch dazu, dass Alternativen wie metallbasierte Elektroden immer stärker in den Fokus rücken. Materialien wie Aluminium oder Zinn können mehr Lithium-Ionen speichern, neigen jedoch zu erheblicher Volumenausdehnung, die zu Strukturveränderungen und Materialermüdung führt. Diese mechanischen Belastungen beeinträchtigen die Lebensdauer und Effizienz der Batterie erheblich.
Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung dieser Metallelektroden ist ihre Nanostrukturierung oder die Verwendung poröser Metallschäume. Insbesondere Zinn bietet sich als vielversprechende Alternative an: Es verfügt über eine fast dreimal höhere Kapazität pro Kilogramm als Graphit und ist zudem weit verbreitet und kostengünstiger als andere Metalle.
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Operando-Röntgenbildgebung zeigt strukturelle Veränderungen
Das HZB-Forschungsteam untersuchte verschiedene Zinn-Elektroden mittels operando Röntgenbildgebung, um strukturelle Veränderungen während der Lade- und Entladevorgänge zu analysieren. Die Experimente wurden an der BAMline bei BESSY II durchgeführt und mit hochauflösender Radioskopie in Zusammenarbeit mit den Imaging-Experten Dr. Nikolai Kardjilov und Dr. André Hilger ergänzt. „Auf diese Weise konnten wir die strukturellen Veränderungen in den untersuchten Elektroden auf Sn-Metallbasis während der Lade-/Entladevorgänge verfolgen“, erklärte Dr. Bouchra Bouabadi, die die experimentelle Studie leitete. Gemeinsam mit dem Batterieexperten Dr. Sebastian Risse analysierte sie, wie die Morphologie der Zinnelektroden durch die ungleichmäßige Aufnahme von Lithium-Ionen beeinflusst wird.
Hochporöser Zinn-Schaum reduziert mechanischen Stress
Besonders vielversprechend erwies sich eine spezielle Variante der Zinn-Elektrode: Ein hochporöser Zinn-Schaum mit mikrometergroßen Poren, entwickelt von Dr. Francisco Garcia-Moreno. „Wir konnten zeigen, dass in einem solchen Zinn-Schaum deutlich weniger mechanischer Stress während der Volumenausdehnung auftritt“, erklärte Dr. Risse. Dies macht Zinn-Schäume zu einer vielversprechenden Alternative für die nächste Generation leistungsstarker Lithium-Batterien.
Garcia-Moreno hat bereits zahlreiche Metallschäume erforscht, darunter Materialien für die Automobilindustrie sowie Aluminiumschäume für Batterieelektroden. „Die von uns an der TU Berlin entwickelten Zinnschäume sind hochporös und eine interessante Alternative zu traditionellen Elektrodenmaterialien“, stellte er fest. Die gezielte Strukturierung der Schäume sei dabei entscheidend, um mechanische Belastungen zu minimieren.
Auch wirtschaftlich könnte die Zinn-Schaum-Technologie eine attraktive Option darstellen. „Obwohl Zinnschaum teurer ist als herkömmliche Zinnfolien, bietet er eine kostengünstigere Alternative zu teuren Nanostrukturierungen. Gleichzeitig kann er erheblich mehr Lithium-Ionen speichern und so die Kapazität der Batterie deutlich steigern“, betonte Garcia-Moreno abschließend.
