Eine neue Phase im Akku

Wie werden Li-Ionen-Akkus umweltfreundlicher, günstiger und leistungsfähiger? Dieser Frage ist ein internationales Forschungsteam nachgegangen. Mit Hilfe von Neutronen- und Röntgenstrahlung untersuchten sie die kristalline Struktur eines neuen Kathodenmaterials und entdeckten dabei eine dritte, bisher unbekannte Strukturphase.

Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Batterie. © Reiner Müller, FRM II / TUM

Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer positiven Kathode und einer negativen Anode, den beiden sogenannten Elektroden. Beim Laden der Batterie fließen die Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode, wo sie sich anlagern. Dadurch entsteht ein elektrochemisches Potenzial innerhalb der Zelle. Beim Entladen kehrt sich der Vorgang um, es fließt Strom. Der Lithium-Ionen-Gehalt an einer Elektrode ändert sich also ständig.

Ersatz für giftiges Kobalt

Die meisten Kathoden enthalten das giftige Kobalt, das oft unter umweltschädlichen Bedingungen abgebaut wird und im Preis stark schwankt. Kobaltfreie Spinelle auf Mangan-Basis sind eine günstige Alternative für Kathoden in Lithium-Akkus. Spinelle bestehen aus metallischen Kationen und Sauerstoffanionen. Darüber hinaus weisen Spinelle eine hohe Betriebsspannung auf, sodass sie mehr Leistung liefern können. Zusätzlich ermöglichen sie eine niedrigere Entladeschlussspannung, die angibt, bis zu welcher Spannung die Batterie entladen werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Dadurch setzt die Zelle pro Ladezyklus mehr Energie frei.

Dr. Neelima Paul am Röntgendiffraktometer des Physik-Labors am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Mehr Leistung, aber höherer Verschleiß

Wird der Lithiumgehalt des Spinells erhöht, steigt seine Energiedichte. So kann der Akku mehr Energie speichern und bei gleichem Gewicht eine bessere Leistung erbringen. Das bedeutet etwa für Elektroautos eine größere Reichweite. Allerdings nutzt sich die Zelle mit dem lithiumreichen Spinell bei niedriger Spannung überraschend schnell ab. Warum die Batterie schneller verschleißt, ist bislang unbekannt. Daher untersuchten Dr. Neelima Paul vom MLZ und ihre Kollegen und Kolleginnen des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und der Czech Academy of Sciences (CAS) die Struktur des Spinells genauer und konzentrierten sich dabei besonders auf den Bereich niedrigerer Spannung.

Röntgenstrahlen und Neutronen in Kombination

Wenn sich die chemische Zusammensetzung des Spinells verändert, ändert sich auch seine Kristallstruktur. Daher durchläuft das Material beim Laden und Entladen der Batterie verschiedene Phasen. Am MLZ untersuchte Dr. Neelima Paul mithilfe der Röntgenbeugung diese Phasenänderungen während des Batteriebetriebs. Außerdem untersuchte das Team das Phänomen auch mittels Neutronenbeugung am Kernphysik-Institut CAS in Rez, Tschechien. „Da Röntgenstrahlen an den Elektronen und Neutronen an den Kernen gestreut werden, liefern die beiden Methoden komplementäre Informationen über die Struktur eines Kristalls“, erklärt Neelima Paul. „Wenn wir das Material im Batteriebetrieb untersuchen, können wir auch kurzlebige Zwischenphasen beobachten. Mit den Neutronen können wir zudem die genaue Position der Lithium-Atome bestimmen.“

Drei Phasen statt zwei

„Bei der Lithiierung der Kathode im Niederspannungsbereich haben wir eine dritte bisher unbekannte Phase beobachtet und untersucht“, sagt Neelima Paul. Bisher war bekannt, dass die Spinelle im normalen Betriebsspannungsbereich im Gleichgewicht von einer Phase in eine andere wechseln. Mit ihrer Messtechnik untersuchte das Team eine kurzlebige dritte Phase, die auftritt, wenn sich bereits viel Lithium an der Kathode angelagert hat. Sie bildet sich bei niedriger Spannung, wenn die Batterie zu schnell geladen und entladen wird, da ihre Kristallstruktur dann energetisch begünstigt ist. Die Phase beeinflusst die Reaktionsmechanismen, die an den Elektroden ablaufen, wodurch die Batteriespannung schneller abfällt. Das wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Batterie aus. Mit den Ergebnissen der Studie können die Forschenden besser verstehen, warum die Zellen bei niedriger Spannung kurzlebiger werden. Da die Forschenden das Problem nun identifiziert haben, können Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in Zukunft an Lösungen arbeiten, um diese dritte Phase der Batterien zu vermeiden und somit ihre Lebensdauer verlängern.