Batterieonderzoek met de HZB-röntgenmicroscoop

De afbeelding links toont de nanotomografische opnames van een LRTMO-deeltje vóór de eerste laadcyclus (boven) en na 10 laadcycli (onder). Rechts daarvan zijn de bijbehorende simulaties met geïsoleerde poriën (lichtblauw), waarvan het aantal na 10 laadcycli (rechtsonder) toeneemt. © HZB / The left side of the figure shows nanotomography images of an LRTMO particle taken at the TXM of BESSY II before the first charging cycle (top) and after 10 charging cycles (bottom). In the simulation (right side), the isolated pores are highlighted in light blue. After 10 charging cycles, the number of pores and cracks has significantly increased. © HZB

Om de capaciteit van lithiumbatterijen verder te vergroten, worden nieuwe kathodematerialen ontwikkeld. Meerlaagse lithiumrijke overgangsmetaaloxiden (LRTMO) maken een bijzonder hoge energiedichtheid mogelijk. Bij elke laadcyclus wordt hun capaciteit echter minder, wat samenhangt met structurele en chemische veranderingen. Met röntgenonderzoeken aan BESSY II heeft een team van Chinese onderzoeksinstellingen deze veranderingen voor het eerst experimenteel met de hoogste precisie gemeten: met het unieke röntgenmicroscoop konden ze morfologische en structurele ontwikkelingen op nanometerschaal observeren en ook chemische veranderingen ontrafelen.

Li-ion-accu's moeten met behulp van nieuwe materialen voor de kathoden nog krachtiger worden. Zo zouden gelaagde lithiumrijke overgangsmetaal-kathoden (LRTMO) de laadcapaciteit verder kunnen verhogen en in hoogpresterende lithium-accu's worden toegepast. Maar tot nu toe is waargenomen dat deze kathodematerialen snel 'verouderen': door het heen en weer bewegen van lithium-ionen tijdens het opladen en ontladen verandert het kathodemateriaal. Welke veranderingen dit precies zijn, was tot nu toe onduidelijk.

Teams van Chinese onderzoeksinstellingen hadden daarom meettijd aangevraagd op de wereldwijd unieke transmissieröntgenmicroscoop (TXM) aan een undulatorstraalbuis bij BESSY II opslagring, om hun materiaalsamples met 3D-tomografie en nanospectroscopie te onderzoeken. De metingen aan de HZB-TXM werden destijds, nog vóór de coronapandemie in 2019, uitgevoerd door Dr. Peter Guttmann, HZB. Vervolgens werd de röntgenmicroscopische analyse aangevuld met verdere spectroscopische en microscopische onderzoeken. Na de uitgebreide evaluatie van het rijke data-aanbod liggen nu de resultaten voor: ze geven inzicht in veranderingen in morfologie en structuur van het materiaal, maar ook in chemische processen tijdens het ontladen.

„De transmissieröntgenmicroscopie met zachte röntgenstraling maakt het mogelijk om chemische toestanden in LRTMO-deeltjes met hoge ruimtelijke resolutie driedimensionaal te visualiseren en inzicht te krijgen in chemische reacties tijdens de elektochemische cyclus“, legt Dr. Stephan Werner uit, die het instrument wetenschappelijk begeleidt en verder ontwikkelt.

Zo leveren de resultaten uitspraken over lokale lattice-vervormingen, die verband houden met fasetransformaties en de vorming van nanoporien. Ook de oxidatietoestanden van individuele elementen konden lokaal worden vastgesteld. De snelheid van het laadproces speelt hierbij een belangrijke rol: langzaam laden bevordert fasetransformaties en zuurstofverlies, terwijl snel laden leidt tot lattice-vervormingen en inhomogene lithiumdiffusie.

„Wij bieden hier op de TXM een unieke optie: we kunnen een energie-gespreide transmissieröntgentomografie aanbieden“, zegt Werner. „Hiermee krijgen we een 3D-afbeelding met structurele informatie over elk element-specifiek energieniveau – dat wil zeggen dat de energie hier de vierde dimensie is.“

De bevindingen uit deze studie leveren waardevolle informatie voor de ontwikkeling van hoogpresterende kathoden die langdurig stabiel en cyclusbestendig blijven. „De TXM is uitstekend afgestemd om in de toekomst door in-operando studies – dus tijdens het opladen of ontladen – nieuwe inzichten te bieden in morfologische en ook chemische veranderingen in batterijmaterialen“, zegt Prof. Gerd Schneider, die de TXM heeft ontwikkeld.