Laden und Entladen von Lithiumionen-Batterien funktioniert anders als gedacht

SPODI Der Physiker Anatoliy Senyshyn bei Arbeiten am Instrument SPODI, an dem die Li-Ionen Batterien analysiert wurden. (Eckert & Heddergott/TUM) © Eckert / Heddergott

Der Physiker Anatoliy Senyshyn bei Arbeiten am Instrument SPODI, an dem die Li-Ionen Batterien analysiert wurden. (Eckert & Heddergott/TUM) © Eckert / Heddergott

Lithiumionen-Batterien sind heute das am weitesten verbreitete Speichermedium in Laptops, Smartphones, Kameras und vielen anderen Geräten. Solche Akkus sind aber auch interessant für den Einsatz in der Elektromobilität oder als Zwischenspeicher für erneuerbare Energien. Obwohl der Einsatz der Lithiumionen-Technologie eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit aktueller Geräte verspricht, bleiben dennoch einige Fragenstellungen wie beispielsweise die Eigensicherheit oder das Hochstromverhalten bei verschiedenen Temperaturen zu klären.

Diese Faktoren begrenzen die Lebensdauer von Batterien und sind deshalb entscheidend für die Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen. Ein besseres Verständnis der Mechanismen bei der Lithiumeinlagerung oder -wanderung in das Elektrodenmaterial während der Ladung oder Entladung ist deshalb enorm wichtig.

Anatoliy Senyshyn (FRM II/TUM) hat zusammen mit Kollegen von der TU Darmstadt und dem KIT/IAM-ESS Karlsruhe mit Hilfe hochauflösender Neutronenbeugung am Instrument SPODI das Verhalten beim Laden und Entladen genauer untersucht. Sie benutzten dafür eine handelsübliche 18650-Zelle, wie sie in Laptops verbaut wird. Die verwendete Zelle besteht aus einer Lithium-Kobaltoxid-Kathode und einer Graphitanode, dem derzeit am häufigsten verwendeten Anodenmaterial. Die Wissenschaftler beobachteten im Beugungsmuster eine Intensitätsverteilung, die auf einen bis dahin unbekannten Mechanismus bei der Einlagerung von Lithiumionen in die Graphitanode hindeutet. Im Gegensatz zur bisher gültigen Meinung, dass diese Einlagerung nur über definierte Zwischenzustände geschieht, fanden sie nur zwei dieser Zustände als definierte Stufen, nämlich LiC6 und LiC12, bei denen ein Lithiumion von sechs bzw. 12 Kohlenstoffatomen umgeben ist. Bei geringeren Lithiumkonzentrationen läuft die Umwandlung von LiC12 zu Graphit quasi kontinuierlich ab. Außerdem entdeckten sie schwache Hinweise darauf, dass bei niedrigem Lithiumstand zwischen den Graphitschichten Strukturänderungen stattfinden. Benachbarte Graphitschichten liegen gewöhnlich in einer A-B-Stapelfolge vor. Die beobachtete Strukturänderung wird auf eine leicht verdrehte Anordnung zweier benachbarten Schichten zurückgeführt, so dass sich Bereiche ergeben, die einer A-A-Stapelfolge entsprechen, die die Einlagerung der Lithiumionen begünstigt. Abhängig vom Ladungszustand der Zelle ergeben sich durch eine kontinuierliche Verschiebungen der benachbarten Graphitschichten eine sich ändernde Anzahl und Größe der Bereiche mit A-A-Stapelfolge. Ab einer bestimmten Lithiumkonzentration in der Anode entsteht die bereits bekannte LiC12-Konfiguration.

Das beobachtete Phänomen der verdrehten Doppelschicht erfordert es, die Einlagerung der Lithiumionen in die Graphitschichten bei fast entladenem Zustand neu zu betrachten. Die Abweichung von der bisher angenommenen stufenweisen Umwandlung kann einen beträchtlichen Einfluss auf die Sichtweise von kritischen Batterieeigenschaften wie das Schnellladeverhalten, die Leistungsfähigkeit bei tiefen Temperaturen oder die Entladungstiefe haben.