Batterie, il catodo è costituito da una miscela di nichel, manganese, cobalto, e litio, attualmente considerati il ​​più efficiente. Ma hanno anche una vita limitata. Dal primo ciclo di perdono fino al 10% della loro capacità. Perché questo è e che cosa si può fare per la conseguente perdita graduale della capacità, la società ha esplorato un team interdisciplinare di scienziati presso l'Università Tecnica di Monaco (TUM) con dettagli di positroni.

Le cosiddette batterie NMC, i cui catodi sono costituiti da una miscela di nichel, manganese, cobalto e litio, hanno ampiamente spinto fuori dal mercato le batterie convenzionali all'ossido di litio-cobalto. Sono più economici e più sicuri e sono quindi utilizzati, tra le altre cose, nelle auto elettriche e ibride. Ma anche con loro, solo poco più del 50% degli atomi di litio contribuisce alla capacità effettiva. Mentre il 62% degli atomi di litio potrebbe ancora essere staccato dal reticolo cristallino durante la prima scarica degli elettrodi esaminati presso l'Università Tecnica di Monaco, solo il 54% ritorna quando vengono ricaricati.

Nei cicli successivi, la perdita è molto più bassa, ma la capacità diminuisce gradualmente gradualmente. Dopo alcune migliaia di cicli, la capacità residua è così bassa che la batteria diventa inutilizzabile.

I positroni catturati mostrano buchi nella griglia

Le indagini di altri gruppi hanno mostrato che non tutti gli atomi di litio tornano negli spazi appropriati nel reticolo cristallino durante la carica. Tuttavia, i metodi precedenti non potevano mostrare i processi atomici responsabili di ciò. Come spesso accade, la soluzione è venuta dalla cooperazione interdisciplinare: Irmgard Buchberger, che lavora presso la cattedra di elettrochimica tecnica presso l'Università tecnica di Monaco, ha contattato Stefan Seidlmayer, che sta anche ricercando tecnologie per batterie presso la sorgente di neutroni di ricerca FRM II a l'Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

Ha preso contatti con Christoph Hugenschmidt, responsabile dello strumento Nepomuc presso la MLZ. Genera positroni, le antiparticelle degli elettroni, che possono essere utilizzati per cercare in modo specifico buchi nei reticoli cristallini. “In quanto particelle estremamente piccole e altamente mobili, i positroni possono volare attraverso i materiali. Se colpiscono un elettrone, finiscono immediatamente in un lampo di energia, se trovano un punto vuoto nel reticolo cristallino sopravvivono molto più a lungo", spiega Markus Reiner, che ha condotto gli esperimenti sullo strumento Nepomuc.

Dal momento che i positroni sono intrappolati per un breve periodo nei siti reticolari vuote prima infine ancora annientato, metodo di cui può essere con positroni Annihilationsspektroskopie conclusioni precise sul pareggio ambiente locale - e questo con una sensibilità molto alta, perché ci possono essere difetti concentrazioni fino a 1: 10 milioni rilevati.

Sviluppo materiale mirato

Lo studio mostra chiaramente che i "fori" rimasti nella griglia del materiale catodico durante la ricarica sono associati alla perdita irreversibile di capacità e che questo blocco è dovuto all'insufficiente riempimento dei fori nel materiale catodico. "Ora tocca di nuovo a noi come chimici", afferma il prof. Hubert Gasteiger, presidente di elettrochimica tecnica. "Modificando in modo specifico il materiale del catodo, ora possiamo cercare modi per aggirare questa barriera".

"Per il Batteriaricerca, la sorgente di neutroni per la ricerca Garching è uno strumento estremamente utile", afferma Ralph Gilles, che coordina le misurazioni per il progetto di ricerca sulla batteria "Exzellum" presso l'FRM II. “Con i neutroni possiamo vedere piccoli atomi come il litio, in particolare, anche attraverso il guscio di metallo mentre la macchina è in funzione. Con i positroni abbiamo ora aperto un'altra possibilità per comprendere meglio i processi e quindi per poterli migliorare ulteriormente”.

La ricerca è stata sostenuta da fondi del Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca (BMBF) nell'ambito del progetto Exzelltum. Il funzionamento del Coincident Doppler Broadening Spectrometer utilizzato per lo studio riceverà anche finanziamenti dal BMBF.