Wie alt bist du, Batterie?

Der Kapazitätsverlust von Batterien gehört zu den größten Problemen der E-Mobilität und der Industrie. Ein Forscherteam des FRM II und anderer Institutionen überprüft nun eine Methode, mit der sich die Verteilung der Elemente in der Anode einer Batterie bestimmen und so die Alterung besser verstehen lässt.

Csm img 9067 53db3ff588 Die Forscherinnen und Forscher bestimmten die Dicke der Lithiumschicht auf der Anode mit hoher Genauigkeit. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Die Forscherinnen und Forscher bestimmten die Dicke der Lithiumschicht auf der Anode mit hoher Genauigkeit. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Es ist eine gängige Tatsache, dass man mit einem neuen Handy zunächst mit einer einzigen Ladung durch den Tag kommt. Doch schon nach wenigen Monaten stellt man fest, dass man sicherheitshalber ein Ladekabel mitnehmen sollte: Der Akku altert. Der Grund dafür ist meist der Verlust von freiem Lithium, das sich mit jedem Ladezyklus zunehmend und irreversibel in einer Schicht auf der Anode der Akkuzelle ablagert.

Csm img 9073 4f742d5faa Ivana Pivarníková testet eine Batterie © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Ivana Pivarníková testet eine Batterie © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Ein tiefer Blick in die Anode
Um den Einfluss von Alterungseffekten auf zukünftige Batteriegenerationen zu minimieren, ist ein genaues Verständnis dieser Effekte entscheidend. Dazu gehört auch die Charakterisierung des Tiefenprofils einer Probe. Forscherinnen und Forscher unter anderem vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg haben nun in einem aktuellen Beitrag eine Methode validiert, die verspricht, solche Untersuchungen präziser und schneller durchführen zu können.
Sie verglichen erstmals die beiden etablierten Methoden der Optischen Emissionsspektroskopie bei Glimmentladungen (GD-OES) und des Neutron Depth Profiling (NDP) bei der Untersuchung von Anoden gealterter Batterien.

20240718 newsmeldung batterie 02 Akkus altern. Meist liegt es an dem Verlust des freien Lithiums, das sich mit jedem Ladezyklus zunehmend und irreversibel in einer Schicht auf der Anode der Akkuzelle ablagert. © FRM II / TUM

Akkus altern. Meist liegt es an dem Verlust des freien Lithiums, das sich mit jedem Ladezyklus zunehmend und irreversibel in einer Schicht auf der Anode der Akkuzelle ablagert. © FRM II / TUM

Neutronen sind nicht destruktiv
„Die Neutronentechnik kann diese neuen Methoden verbessern und validieren“, sagt Ivana Pivarníková. Sie ist Doktorandin am MLZ und gemeinsam mit Dr. Marius Flügel vom ZSW Erstautorin des Artikels. Sie erklärt: „NDP hat den Vorteil, dass eine größere Materialoberfläche in einer Messung untersucht werden kann und dass es nicht zerstörerisch für die Probe ist.“
Während die klassische Berechnung des Tiefenprofils auf Proben mit homogener Elementverteilung basiert, verbesserten die Forscherinnen und Forscher die Methode, indem sie die Dicke der Lithiumschicht auf der Anode mit hoher Genauigkeit bestimmten. Mit diesen Ergebnissen kann die Methode als Ergänzung zu NDP-Untersuchungen angesehen werden.
Diese Validierung der GD-OES-Methode stellt einen wichtigen Schritt dar, der die Entwicklung neuer Batterien in einigen Bereichen unabhängiger von Neutronentests machen könnte, ohne diese vollständig zu ersetzen.