Lithium-Ionen- und „Beyond Lithium“-Batterien stehen vor dem Problem der Degradation, insbesondere bei längerem Gebrauch oder unter ungünstigen Bedingungen. Herkömmliche Methoden reichen oft nicht aus, um Phänomene wie Veränderungen der Morphologie von metallischem Lithium und das Verhalten von Übergangsmetallionen zu verstehen. In dieser Arbeit wird die gepulste elektronenmagnetische Resonanz (pEPR) als ergänzende Methode zur Erforschung dieser Fragen vorgestellt.

Zunächst wird pEPR zur Untersuchung von metallischen Lithiumablagerungen an Batterieanoden eingesetzt, wobei der Skineffekt und die Elektronenmobilität zur Beurteilung der Lithiummorphologie analysiert werden. Die Methode zeigt, dass sich die Morphologie nach der Lithiumabscheidung aufgrund der Oberflächendiffusion ständig verändert. Außerdem wird die Lithiumabscheidung an Graphitanoden überwacht, wobei Beginn, Geschwindigkeit und Vorhandensein von totem Lithium detailliert erfasst werden.

Im zweiten Teil werden pEPR und die Dichtefunktionaltheorie genutzt, um die Solvatationspräferenzen von Übergangsmetallionen zu untersuchen. Es wurde beobachtet, dass Mn²⁺- und Cu²⁺-Ionen eine Solvatationshülle aus zyklischen Karbonaten bilden, während Mn²⁺ beim Erhitzen Fluorophosphatkomplexe bildet. Zur Untersuchung der gelösten Übergangsmetallionen in laufenden Batterien wurden V₂O₅-Kathoden analysiert. Es wurde eine signifikante Auflösung von Vanadyl-Ionen beobachtet, mit selektiver Koordination durch Glykol-Dianion-Liganden und Bildung von Fluorophosphat-Liganden bei längerer Lagerung.

Diese Forschungsarbeit zeigt das Potenzial von pEPR für ein besseres Verständnis der Batteriedegradation und damit für die Entwicklung effizienterer Energiespeichersysteme.