Ständiger Austausch von Lithium lässt Batterien ermüden

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

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

Wissenschaftler an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München haben in Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Fachbereich Materialwissenschaft der TU Darmstadt mittels Neutronen einen wichtigen Prozess beobachtet, der zur Ermüdung in aktuellen Li-Ionen Batterien beiträgt. Mit Hilfe von Neutronenstreuung konnte sie zeigen, dass sich bei fortschreitendem Betrieb der Zellen einige Lithium-Ionen fest in die Graphitstruktur der Anode einlagern und dann für weitere Zyklen mit definierten Spannungsgrenzen nicht mehr zur Verfügung stehen, was die Kapazität der Batterie verringert.

Die Wissenschaftler verglichen handelsübliche Zellen im Auslieferungszustand und nach bis zu tausend Be- und Entladevorgängen. Ein typischer Lithium-Ionen Akkumulator verfügt über eine Kohlenstoff-Anode (negative Elektrode), während die Kathode (positive Elektrode) üblicherweise aus Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Manganoxid (LiMn₂O₄) oder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) besteht. Das Material der Kathode bestimmt stark die Eigenschaften einer Batterie. „Mittels Neutronen konnten wir nun nachweisen, dass auch an der Anode Prozesse stattfinden, welche die Leistungsfähigkeit des Speichersystems beeinflussen. Diese sind jedoch noch nicht vollständig verstanden“, sagt der Physiker Anatoliy Senyshyn, der die Experimente gemeinsam mit seinen Kollegen am Instrument SPODI der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) durchgeführt hat.

Der beobachtete Prozess ist temperaturabhängig: Elektrochemische Analysen erlauben es, die Abnahme der Batteriekapazität mit jedem Ladezyklus zu verfolgen, bis nach 1.000 Zyklen nur noch rund 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität zur Verfügung stehen. Bei 25 Grad Celsius war der Effekt deutlich stärker als bei 50 Grad Celsius. Batterien, die bei der höheren Temperatur betrieben worden waren, zeigten nach 1.000 Zyklen nur einen Kapazitätsverlust von etwa zwei Drittel des Verlusts bei Zimmertemperatur. Offenbar bleiben die Li-Ionen bei höheren Temperaturen mobiler und können Transporthindernisse, die durch die Ermüdung entstanden sind, leichter überwinden.

Wiederaufladbare Akkus, wie sie von den Wissenschaftlern an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier Leibnitz (FRM II) untersucht wurden, finden sich heutzutage in allen tragbaren Elektrogeräten, die leicht sein und möglichst lange laufen sollen: Mobiltelefonen, Digitalkameras und Notebooks. Kein anderes modernes Batteriesystem bietet derzeit ähnlich hohe Leistungs- und Energiedichten. Auch Elektro- und Hybridautos sollen durch verbesserte Li-Ionen Batterien wettbewerbsfähiger werden. Um dieses Ziel zu erreichen, muss allerdings insbesondere deren Lebensdauer und Energiedichte noch weiter erhöht werden. Daher unternehmen Wissenschaft und Industrie derzeit große Anstrengungen, um die Li-Ionen-Batteriesysteme zu optimieren. Die Kenntnisse der genauen Ermüdungsmechanismen sind hierfür eine unverzichtbare Voraussetzung.