Positrones como una nueva herramienta para la investigación sobre las baterías de iones de litio

Baterías, el cátodo se compone de una mezcla de níquel, manganeso, cobalto y litio, se consideran actualmente el más eficiente. Pero tienen una vida útil limitada. Desde el primer ciclo pierden hasta 10% de su capacidad. ¿Por qué es esto y qué se puede hacer frente a la pérdida gradual de la capacidad posterior, ahora se ha explorado un equipo interdisciplinario de científicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) utilizando positrones precisa.

Las llamadas baterías NMC, cuyos cátodos consisten en una mezcla de níquel, manganeso, cobalto y litio, han desplazado en gran medida del mercado a las baterías convencionales de óxido de litio y cobalto. Son más baratos y seguros y, por lo tanto, se utilizan en automóviles eléctricos e híbridos, entre otras cosas. Pero incluso con ellos, solo un poco más del 50% de los átomos de litio contribuyen a la capacidad real. Mientras que el 62% de los átomos de litio aún podrían desprenderse de la red cristalina durante la primera descarga de los electrodos examinados en la Universidad Técnica de Munich, solo el 54% regresa cuando se recargan.

En los ciclos posteriores, la pérdida es de hecho mucho más bajo, pero la capacidad disminuye gradualmente desde cada vez más lejos. Después de varios miles de ciclos, la capacidad restante es entonces tan bajo que la batería está inutilizable.

Capturadas de positrones muestran agujeros en la rejilla

Las investigaciones realizadas por otros grupos mostraron que no todos los átomos de litio regresan a los espacios apropiados en la red cristalina durante la carga. Sin embargo, los métodos anteriores no pudieron mostrar los procesos atómicos responsables de esto. Como suele ser el caso, la solución provino de la cooperación interdisciplinaria: Irmgard Buchberger, que trabaja en la Cátedra de Electroquímica Técnica de la Universidad Técnica de Múnich, se puso en contacto con Stefan Seidlmayer, que también investiga tecnologías de baterías en la fuente de neutrones de investigación FRM II en el Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ). .

Organizó el contacto con Christoph Hugenschmidt, quien está a cargo del instrumento Nepomuc en el MLZ. Genera positrones, las antipartículas de los electrones, que pueden utilizarse para buscar específicamente agujeros en las redes cristalinas. “Como partículas extremadamente pequeñas y altamente móviles, los positrones pueden volar a través de los materiales. Si golpean un electrón, inmediatamente terminan en un destello de energía, si encuentran un lugar vacío en la red cristalina, sobreviven mucho más tiempo”, explica Markus Reiner, quien realizó los experimentos en el instrumento Nepomuc.

Dado que los positrones son atrapados por un corto tiempo en los sitios de celosía vacías antes de que finalmente aniquilado sin embargo, el método mencionado puede estar con positrones Annihilationsspektroskopie conclusiones precisas sobre el sorteo entorno local - y esto con una sensibilidad muy alta, porque no puede haber concentraciones de hasta defectos a 1: 10 millones de detectar.

desarrollo de materiales dirigidos

El estudio muestra claramente que los "agujeros" que quedan en la rejilla del material del cátodo durante la recarga están asociados con la pérdida irreversible de capacidad y que este bloqueo se debe al llenado insuficiente de los agujeros en el material del cátodo. "Ahora es nuestro turno nuevamente como químicos", dice el Prof. Hubert Gasteiger, Presidente de Electroquímica Técnica. "Al modificar específicamente el material del cátodo, ahora podemos buscar formas de eludir esta barrera".

"Para el bateríainvestigación, la fuente de neutrones de investigación de Garching es una herramienta extremadamente útil”, dice Ralph Gilles, quien coordina las mediciones para el proyecto de investigación de la batería 'Exzellum' en el FRM II. “Con los neutrones, podemos ver pequeños átomos como el litio, en particular, bueno, incluso a través de la cubierta metálica mientras la máquina está en funcionamiento. Con los positrones, ahora hemos abierto otra posibilidad para comprender mejor los procesos y, por lo tanto, poder mejorarlos aún más”.

La investigación fue financiada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) dentro del proyecto Exzelltum. Además, el funcionamiento de la utilizada para el estudio espectrómetro Coincidente Doppler Ampliación está financiado por el BMBF.