In-situ-Analyse kommerzieller Batterien basierend auf Plug-and-Play-Multi-Kern-Magnetresonanzspektroskopie und Oberflächen-Scan-Bildgebung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Nikolai Avdievich, Ph.D.; Privatdozentin Gisela Hagberg, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Analytische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568670018

Fortschritte bei tragbaren elektrochemischen Energiespeichern basieren auf analytischen Werkzeugen, die die Mechanismen hinter Funktion und Degradation elektrochemischer Materialien in situ aufdecken können. Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und -bildgebung haben eine außergewöhnliche Sensitivität gegenüber lokalen Umgebungen und der Dynamik elektrochemisch relevanter Elemente gezeigt. Die Jelly-Roll-Architektur ist nach wie vor das energieeffizienteste Design für Batteriezellen. Eine wesentliche Herausforderung für die NMR liegt jedoch in der begrenzten Durchdringung von Hochfrequenzfeldern (HF) durch leitfähige Gehäuse und Stromkollektoren. In diesem Projekt entwickeln wir einen experimentellen Ansatz, die sogenannte Plug-and-Play-NMR, die eine direkte HF-Wellenübertragung durch die Batteriepole ermöglicht und so eine effiziente Anregung und Detektion von Signalen aktiver elektrochemischer Materialien ermöglicht. Ein spezieller HF-Adapter verwandelt die Batterie in eine NMR-Sonde, die über einen breiten Larmor-Frequenzbereich abstimmbar ist. Dieser Adapter bietet detaillierte Einblicke in die chemischen Umgebungen elektrochemisch aktiver Elemente und führt neue Messgrößen zur genauen Bestimmung des Ladezustands (SoC) und des Batteriezustands (SoH) ein. Vorläufige Tests zeigten elektrochemische Transformationen zwischen interkalierten und metallischen Ladungsträgern wie Lithium (Li) und Natrium (Na) sowie magnetische Suszeptibilitätseffekte in den Elektroden kommerzieller Pouch-Zellen. Der Magnetismus von Batteriezellenkomponenten ist ein empfindlicher Indikator für die Chemie der Elektroden, SoC, SoH, Stromverteilung und Defekte. Die Oberflächen-Scan-MRT ist ein fortschrittlicher Ansatz zur schnellen und genauen Abbildung magnetischer Feldmuster an der Außenfläche der Zelle. Eine Reihe von Geräten, die Plug-and-Play-NMR- und Oberflächen-Scan-MRT-Funktionen kombinieren, wird entwickelt und eingesetzt, um die Dendritenwachstumsdynamik, magnetische Phasenübergänge und den Festkörper-Ionentransport in kommerziellen Zellen mithilfe von Nieder- und Hochfeld-NMR-Spektrometern zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Konstantin Romanenko, Ph.D.