Bilder von Graphitpartikeln. – Bild: Thermo Fisher Scientific

Bilder von Graphitpartikeln, aufgenommen mit einem Thermo Scientific Phenom XL Tisch REM. Das Bild oben links zeigt natürlichen Graphit. Die anderen Bilder wurden aufgenommen, nachdem synthetischer Graphit fünf unterschiedlichen Behandlungen unterzogen wurde, um die beste Übereinstimmung mit dem natürlichen Stoff herauszufinden. – Bild: Thermo Fisher Scientific

In den vergangenen drei Jahrzehnten haben Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufgrund ihres leichteren Gewichts, der längeren Entladezeit und ihrer größeren Leistungsfähigkeit unter Extrembedingungen im Vergleich zu Nickel-Cadmium-Akkumulatoren die Energieindustrie revolutioniert. Ein wesentlicher Bestandteil in Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist Graphit. Dieser Rohstoff wird für eine der beiden Elektroden, die Anode, verwendet.

Wenn ein Akkumulator aufgeladen wird, wandern Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten, der die Elektroden voneinander trennt, von der Kathode zur Anode. Dieser Vorgang kehrt sich um, während der Akku Energie entlädt.

Während für die Kathode verschiedene Werkstoffe verwendet werden können, ist Graphit dank seines häufigen Vorkommens, der geringen Kosten und seiner langen Lebensdauer der Werkstoff erster Wahl für die meisten Anoden. Die Lebensdauer gibt an, wie lange ein Akku die Ladung halten kann, und trägt zu technischen Weiterentwicklungen bei.

Warum wird Graphit in Akkumulatoren eingesetzt?

Weltweit arbeiten Industriebranchen daran, leistungsfähigere Lithium-Ionen-Akkumulatoren zu entwickeln, um alles von Elektrofahrzeugen bis hin zu serienmäßigen Energie-Ladestationen mit Energie zu versorgen. Dabei spielt Graphit eine immer wichtigere Rolle.

Natürlicher Graphit enthält typischerweise plättchenförmige Partikel, die in sphärische Partikel überführt werden müssen, bevor sie als Anodenmaterial verwendet werden können. Alternativ kann synthetischer Graphit in einem kontrollierten Verfahren produziert werden, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten. Für die Produktion von hochqualitativem synthetischem Graphit sind Temperaturen von 3.000°C erforderlich.

Eine Optimierung der Morphologie von Graphit erlaubt es Forschern, Anoden mit höherer Nennkapazität und Energiedichte, geringeren irreversiblen Kapazitätsverlusten im ersten Zyklus, längerer Lebensdauer und besseren Sicherheitseigenschaften zu entwickeln.

Sphärische Graphitpartikel ermöglichen eine effizientere Packungsdichte und damit eine verbesserte Gesamtleitfähigkeit. Mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) können Forscher die Morphologie der Partikel visuell untersuchen. Verglichen mit optischen Mikroskopen, mit denen eine Betrachtung von schwarzem Pulver wie Graphit schwierig wäre, haben Rasterelektronenmikroskope eine höhere Auflösung.

REM-Analyse von Graphit für Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Häufig sind eigene Geräte und der Zugang zu Fachwissen für Forscher nicht erschwinglich, sodass sie stattdessen ihre Proben zur Analyse in Prüflabore mit Großkammer-REMs R schicken. Diese REMs müssen zum einen oft durch geschulte Fachkräfte bedient werden und außerdem führt die Durchführung von Analysen durch Fremdlabore zu Verzögerungen.

Mit der Wahl eines Thermo Scientific Phenom XL Tisch REMs mit speziell dafür entwickeltem Auto-Scan-Script sind Forscher in der Lage, die Durchlaufzeiten für Experimente dieser Art an Akkumulatoren drastisch zu verkürzen. Mit dem Phenom XL können die Forscher ihre eigenen Analysen mit äußerst geringem Schulungsaufwand direkt vor Ort durchführen.

Phenom XL. – Bild: Thermo Fisher Scientific
Mit dem Phenom XL können Forscher ihre eigenen Analysen mit äußerst geringem Schulungsaufwand direkt vor Ort durchführen. – Bild: Thermo Fisher Scientific

Mit dem speziellen Auto-Scan-Script kann das Phenom XL bis zu 36 Proben zur selben Zeit automatisch prüfen und mehr als 200 Bilder in weniger als 30 Minuten erzeugen. Das Script ist benutzerfreundlich: Der Anwender definiert die Anzahl der zu analysierenden Positionen und die gewünschten Vergrößerungen an allen Positionen. Anschließend erfolgt die Bilderfassung bedienerlos über Nacht, wodurch sich Durchlaufzeiten drastisch verkürzen und die bei der Bedienung durch verschiedene Personen üblichen Schwankungen der Bildqualität gleichzeitig vermeiden lassen.

Das Phenom XL kann Bilder mit 10-Nanometer-Auflösung erzeugen und ist damit das ideale Instrument für die Abbildung von 20 µmGraphitpartikeln. Darüber hinaus kann dank der intuitiven Benutzeroberfläche der Schulungsaufwand reduziert werden, sodass mehr Bediener diese Analysen durchführen können.

Mit Blick auf das Bemühen von Wissenschaftlern weltweit, Graphit für Anoden von Lithium-Ionen Akkumulatoren zu verbessern, kann das Phenom XL Tisch REM mit speziellem Auto-Scan-Script immer wiederkehrende Prüfarbeiten automatisieren. Dank der Möglichkeit, die Proben vor Ort schnell und genau zu charakterisieren, können die Anwender bei der Entwicklung sichererer, leistungsfähigerer Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit längerer Lebensdauer den F&E-Prozess beschleunigen.

Um mehr darüber zu erfahren, wie die Elektronenmikroskopie die Akkumulatorenforschung unterstützen kann, besuchen Sie bitte unsere Website Battery Research (Batterie-Forschung).

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