Dr. Julia Maibach: InSEIde
Wieder aufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien sind als mobile Stromspeicher aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Im Projekt InSEIde werden die Vorgänge an den Grenzflächen im Inneren der Batterien erforscht, um aus dem Verständnis gezielt Verbesserungsstrategien für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation zu gewinnen.
Bessere Batterien für unterwegs - InSEIde
Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit einer der am weitesten verbreiteten Stromspeicher, insbesondere für mobile Anwendungen in tragbarer Elektronik wie Handys und Laptops oder in Elektroautos. Um dem steigenden Bedarf gerecht zu werden, müssen die Stromspeicher jedoch weiter optimiert werden. Dies gilt sowohl für die Menge des in ihnen speicherbaren Stroms, die sogenannte Kapazität, als auch für ihre Langlebigkeit und Stabilität.
Diese Eigenschaften werden sowohl durch die Speichermaterialien bestimmt als auch durch die Grenzflächen, also die Bereiche, wo die unterschiedlichen Komponenten einer Batterie aufeinandertreffen. Die grundlegenden Komponenten einer Batterie sind die negative Elektrode, auch Anode oder Minuspol genannt, die positive Elektrode (Pluspol) oder Kathode und der Elektrolyt, eine Flüssigkeit, die den Austausch der namensgebenden Lithium-Ionen zwischen den beiden Polen einer Batterie ermöglicht.
Gerade dem Kontakt zwischen Anode und Elektrolyt kommt in diesen Batterien eine tragende Rolle zu. Dort spielen sich nicht nur die Lade- und Entladevorgänge ab, sondern auch weitere funktionsentscheidende Nebenreaktionen. An diesen Grenzflächen zwischen Anode und Elektrolyt bildet sich im Batteriebetrieb eine als Solid Electrolyte Interphase (kurz SEI) bezeichnete Grenzschicht aus. Ihre Zusammensetzung und Struktur entscheidet über die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie, denn die SEI-Bildung ist mit unumkehrbaren Ladungsverlusten verbunden: Die Ladung, die während dieser Nebenreaktionen verbraucht wird, kann nicht wieder zurückgewonnen werden. Im Idealfall hat die SEI eine Schutzfunktion und verhindert so weitere Nebenreaktionen an den Grenzflächen.
Im Zentrum der Forschungsaktivitäten des Projekts „InSEIde – Künstliche SEI: Grenzflächen in Lithium-Ionen Batterien verstehen und manipulieren“ steht daher die SEI-Bildung im Detail zu verstehen. Dieses Wissen wird dann zur Entwicklung maßgeschneiderter Elektrodenschutzschichten für die nächste Generation von Batterien verwendet. Die SEI selbst ist nur etwa 20 bis 30 nm dick, also nur 0,002-mal so dick wie ein menschliches Haar. Um die SEI-Bildung und ihr Verhalten während des Betriebs einer Batterie zu verfolgen werden im Projekt modernste Ober- und Grenzflächenmethoden verwendet. Dazu werden auch neue Untersuchungsmethoden entwickelt, damit die Charakterisierung unter möglichst realistischen Bedingungen erfolgen kann. So sollen die Hauptmerkmale der SEI identifiziert und künstliche SEI-Schichten dementsprechend weiterentwickelt werden.
Im Projekt InSEIde von Frau Dr. Maibach wird dieser Ansatz auf die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit neuen Anodenmaterialien angewendet. In diesem Batterietyp bestehen die Anoden aus einem Gemisch aus Silizium und Kohlenstoff. Als negatives Elektrodenmaterial in den derzeitigen kommerziellen Li-Ionenbatterien wird Kohlenstoff in Form von Graphit verwendet. Silizium ist in der Lage, etwa zehn Mal mehr Ladung zu speichern als Graphit, weshalb die neuen Silizium-Kohlenstoff-Materialien die Leistung der Batterien verbessern können. Diese hohe Speicherfähigkeit bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich, insbesondere für die SEI. Große Volumenveränderungen des Elektrodenmaterials während des Lade- und Entladevorgangs beanspruchen die SEI. Dies beeinträchtigt die Schutzfunktion der SEI während des Betriebs der Batterie. Um das Potenzial der neuen Komposite voll ausschöpfen zu können, müssen chemisch stabile und mechanisch flexible Elektrodenschutzschichten für diese Materialklasse entwickelt werden.
Dadurch können Silizium-Kohlenstoff-Anoden zu einer zukunftsweisenden Alternative zu kommerziellen negativen Elektrodenmaterialien werden.
Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Julia Maibach
Frau Dr. Julia Maibach studierte Materialwissenschaft an der TU Darmstadt und der Chalmers University of Technology in Göteborg (Schweden). Anschließend promovierte sie an der TU Darmstadt zum Thema Grenzflächen in organischer Photovoltaik und forschte im Rahmen dieser Tätigkeit auch am InnovationLab in Heidelberg sowie für mehrere Monate an der Princeton University (USA). Von 2014 bis 2017 folgte ein PostDoc-Aufenthalt an der Universität Uppsala (Schweden), wo Frau Dr. Maibach ihre Arbeiten zu Batteriegrenzflächen begann. Seit September 2017 leitet sie am Karlsruher Institut für Technologie am Institut für Angewandte Materialien - Energiespeichersysteme die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „Grenzflächendesign für elektrochemische Energiespeicher“.