06.02.2023

Mit neuen Erkenntnissen über das Innere von Lithium-Ionen-Akkus ist einem Team aus Wissenschaftlern um Dr. Anatoliy Senyshyn und Dominik Petz ein weiterer Schritt hin zu langlebigeren Batterien gelungen. Neutronenstreuung am Instrument STRESS-SPEC des MLZ und weitere Messungen zeigten einen Zusammenhang zwischen höherer Temperaturentwicklung des Akkus und seinem Alter.

20221007 cover adenma print Neutronen erlauben es uns, einen Blick ins Innere von Batterien zu werfen. © Reiner Müller, FRM II / TUM

Neutronen erlauben es uns, einen Blick ins Innere von Batterien zu werfen. © Reiner Müller, FRM II / TUM

Um erneuerbare Energien zu speichern, wird die Nutzung von Akkus in Zukunft einen noch größeren Stellenwert haben. Doch leider nimmt die Speicherkapazität selbst der besten Lithium-Ionen-Akkus im Laufe ihres Lebens ab.
Wie wir die Nutzungsdauer in Zukunft verlängern könnten, darauf haben Forscher des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums zusammen mit Kollegen von den Universitäten in Münster und Stuttgart, dem Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA und der Dalhousie University in Halifax, Canada, nun durch einen Blick ins Innere der Akkus einen weiteren Hinweis gefunden.

Ein Blick in den Akku
Neutronen dringen zerstörungsfrei und beinahe ohne Abschwächung ins Innere der Akkus ein: Sie interagieren mit den Elektrodenmaterialien im Inneren. Bei Kollisionen mit den elementaren Bausteinen der Akkus verändern sie deren innere Struktur nicht. Die Ablenkung der Neutronen ist dennoch groß genug, um daraus Rückschlüsse über die Verteilung des eingelagerten Lithiums in den Zellen zu gewinnen. Die Forschenden erreichten so eine experimentelle Auflösung von wenigen Millimetern.
Das Team um Dr. Anatoliy Senyshyn, Instrumentwissenschaftler am MLZ, und Dominik Petz, Doktorand der Technischen Universität München am MLZ, nutzte das Materialforschungsdiffraktometer STRESS-SPEC bei Instrumentwissenschaftler Dr. Michael Hofmann, um einen Blick ins Innere einer Reihe von herkömmlichen zylindrischen 18650 Lithium-Ionen-Batterien zu werfen, die teils über 1000 Ladezyklen durchlebt hatten.

20210614 bl 5443 kl 2 Dominik Petz mit einem Probenstab am Instrument SPODI. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Dominik Petz mit einem Probenstab am Instrument SPODI. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Verlorenes Lithium
Doch was ist das Spannende an der Verteilung von Lithium in der Zelle? Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Akkus bietet hier Aufschluss. Während des Entladevorgangs löst sich ein Elektron aus den Lithiumatomen und wandert durch das mit Strom zu versorgende Gerät. Gleichzeitig diffundiert das Lithium-Ion im Inneren der Zelle von der Anode zur Kathode. Dort verbinden sich die Elektronen und Lithium-Ionen im Inneren der Kathode wieder und stehen – zumindest theoretisch – für den umgekehrten Prozess während des Ladevorgangs zur Verfügung.
Verliert der Akku nun jedoch aktives Lithium, so verliert er an Kapazität. Der Verlust an beweglichen Atomen lässt sich durch Reaktionen mit dem Elektrolyten erklären, in dem sie sich bewegen.

Je älter desto wärmer
Die Forschenden fanden heraus, dass der Verlust des Elektrolytbestandteils LiPF₆ und der verfügbaren Lithiumatome direkt miteinander zu tun haben. Dies führt sie zu der Annahme, dass eine künstliche Zuführung von frischem Lithium die Konzentration länger konstant halten und somit die Lebensdauer der Zelle steigern könnte. Dieser Ansatz könnte den Weg hin zu deutlich leistungsfähigeren Akkus ebnen.
Zudem fanden sie einen direkten Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur der Akkuzellen und ihrem Alterungszustand. Ältere Batterien zeigten aufgrund eines erhöhten Innenwiderstands bei gleichem Be- bzw. Entladungsstrom eine deutlich stärkere Temperaturerhöhung. Allerdings war die Oberflächentemperatur nicht komplett gleichmäßig verteilt. Den Zusammenhang zwischen Temperaturentwicklung und Alterungszustand der Batterien wollen Dominik Petz und seine Kollegen nun weiter erforschen.