Der wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akku ist eine bahnbrechende Technik, die bereits zuverlässig Strom für mobile Geräte liefert. Dennoch gibt es Verbesserungspotenzial, wie zum Beispiel bei der Lebensdauer, der Sicherheit und den Materialkosten. 

Die Kathode verliert Ladungskapazität

Die Forschenden haben spezifische Prozesse identifiziert, welche für die Verschlechterung der Batterieleistung während des Betriebs verantwortlich sind. Um herauszufinden, warum heutige Kathoden im Dauerbetrieb an Ladungskapazität verlieren, musste das Material der Kathode mit der passenden Genauigkeit vermessen werden. Aus diesen Anforderungen heraus entstand ein neuer experimenteller Ansatz, mit dem sich die Prozesse an der Kathode genau untersuchen lassen.

Die Messungen erfolgten simultan mittels einer Kombination aus mikrofokussierter Röntgendiffraktometrie und Fluoreszenstomographie. Die gesammelten Daten wurden zusätzlich durch Neutronen-Pulverdiffraktometrie ergänzt. Eine zentrale Rolle spielte dabei die Verwendung von maschinellem Lernen, um die extrem großen Datenmengen der Messungen zu verarbeiten und zu analysieren.

Einblick in die Degradationsprozesse

Das Team beobachtete zahlreiche Veränderungen in der Kathode nach mehr als 100 Lade- und Entladezyklen – mit einer bisher unerreichten räumlichen Genauigkeit von etwa einem Mikrometer in allen drei Dimensionen. Die beobachteten Details gaben einzigartige Einblicke in Veränderungen der chemischen Zusammensetzung, der chemischen Phasen und der Morphologie der Kathode. Dadurch konnten die für das ausgewählte Kathodenmaterial spezifischen Degradationsmechanismen, die Rolle der Kohlenstoffmatrix und des Bindemittels bei der Alterung der Batterie definiert werden. Diese Ergebnisse zeigen, wie sich die Kathodenmaterialien verbessern lassen, damit sie effizienter und nachhaltiger werden.