Dem Lithium auf der Spur

Gemeinsam mit der VARTA AG und BASF hat ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrums untersucht, was während der Alterung in großen Industrie-Batteriezellen mit Lithium passiert. Die Forschungsergebnisse erklären, warum siliziumhaltige Batterien nach und nach an Kapazität verlieren. Die Forschenden kombinierten elektrochemische Tests mit fortschrittlichen Neutronenmessungen und zeigten so, dass wiederholtes Be- und Entladen in den Batteriezellen zu einem stetigen Verlust an aktiv verfügbarem Lithium führt, was im Laufe der Zeit eine Verringerung der Batteriekapazität zur Folge hat.

IMG 9102 zgs Dr. Thien An Pham im Physiklabor des Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrums. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Dr. Thien An Pham im Physiklabor des Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrums. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Warum verspricht Silizium mehr Energie, altert aber schneller?

Siliziumhaltige Anoden sind vielversprechend, da Silizium weitaus mehr Lithium speichern kann als das in heutigen Batterien verwendete Graphit. Das ebnet den Weg für eine größere Energiedichte bei Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichern. Doch dieser Vorteil hat einen Haken: Während des Batteriegebrauchs lagert sich Lithium in das Silizium ein und wieder aus, wodurch sich das Material wiederholt ausdehnt und zusammenzieht. Das führt zu unerwünschte Nebenreaktionen und mechanischen Schäden, die Lithium binden und so Teile der Anode nach und nach vom elektrischen Netzwerk trennen.

Neutronen blicken in echte Batterien

Um sicherzustellen, dass die Forschungsergebnisse auch auf Batterien in der Praxis übertragbar sind, konzentrierte sich das Team um Dr. Thien An Pham zusammen mit Dr. habil. Ralph Gilles von der Advanced Materials Group an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) vor allem auf zylindrische Zellen des Typs 21700 in Originalgröße – ein industrierelevantes Format, das in Elektrofahrzeugen, Elektrowerkzeugen und E-Bikes weit verbreitet ist. Die Zellen wurden von der VARTA AG in Ellwangen hergestellt und bestehen aus einer nickelreichen Kathode von BASF sowie einer Graphitanode, die mit etwas Siliziumoxid gemischt ist.

20140401 Lithiumionenzellen AH 70029 zgs Bei den untersuchten Zellen handelte es sich um den weit verbreiteten Typ 21700. © Andreas Heddergott, TUM

Bei den untersuchten Zellen handelte es sich um den weit verbreiteten Typ 21700. © Andreas Heddergott, TUM

Mit der zerstörungsfreien In-operando-Neutronenmessung an der Schweizer Spallationsneutronenquelle SINQ des Paul-Scherrer-Instituts (PSI), konnten die Forscher kleinste strukturelle Veränderungen in Kathode und Anode während des Lade- und Entladevorgangs mitverfolgen. Mit zunehmender Zahl der Ladezyklen fielen diese Veränderungen in der Kathode deutlich geringer aus – ein Hinweis darauf, dass sie nicht mehr im selben Maße wie zuvor Lithium aufnahm und abgab.

Um das „fehlende“ Lithium zu lokalisieren, nutzten die Forscher dann die Neutronen-Tiefenprofilanalyse an der CANAM in Řež, Tschechien. So kartierten sie die Lithiumkonzentration durch die Elektrodenschichten hinweg. Die Messungen zeigten eine deutliche Lithiumverarmung an der Kathode und eine erhöhte Lithiumansammlung nahe der Anodenoberfläche. Das stimmt damit überein, dass ein Teil des Lithiums beim Aufbau der Passivierungsschicht (solid-electrolyte interphase SEI) verbraucht oder in inaktiven Lithium-Silizium-Phasen eingeschlossen wurde.

Thien An Ralph Gilles Poster MLZUserMeeting2025 Dr. Thien An Pham (links) mit Dr. habil. Ralph Gilles beim MLZ User Meeting vor seinem Poster, auf dem er seine Arbeit zu Batterien gemeinsam mit der VARTA AG und der BASF vorstellt. © Laura Richter, FRM II / TUM

Dr. Thien An Pham (links) mit Dr. habil. Ralph Gilles beim MLZ User Meeting vor seinem Poster, auf dem er seine Arbeit zu Batterien gemeinsam mit der VARTA AG und der BASF vorstellt. © Laura Richter, FRM II / TUM

Weniger Lithium verfügbar

Das Ergebnis: Während der Entladung steht der Kathode weniger Lithium zur Verfügung und die Kapazität der Batterie nimmt ab. Der Verlust an aktiv nutzbarem Lithium ist für den Großteil der bei den Zellen beobachteten schwindenden Kapazität verantwortlich. Darüber hinaus weist das Forschungsteam auch auf die Migration von Übergangsmetallen als einen bekannten Alterungsmechanismus in vergleichbaren Batteriesystemen hin, der unerwünschte Nebenreaktionen zusätzlich beschleunigen kann. Thien An Pham fasst zusammen: „Es scheint, dass nicht makroskopische Veränderungen in der Batteriezelle der entscheidende Faktor für die Degradation sind, sondern vielmehr mikroskopische Prozesse.“

Ziel: Längere Lebensdauer für Batterien

Die Studie zeigt, wie Alterungsmechanismen in großformatigen Batteriezellen mit zerstörungsfreien Verfahren identifiziert werden können und liefert so Ingenieurinnen und Ingenieuren eine praktische Anleitung für die Entwicklung langlebigerer Batterien – ohne Abstriche bei der Energiedichte.

Die Partnerinnen und Partner dieser Studie setzen ihre Zusammenarbeit gemeinsam mit weiteren Industriepartnern im neuen Forschungsprojekt NERO fort.