Wie Wärme Lithium-Ionen-Batterien schädigen kann

Beim Aufladen kann die Graphitanode in einer Lithium-Ionen-Batterie temperaturbedingten Veränderungen ausgesetzt werden, die zu der Zersetzung der Elektrodenstruktur führen und die Leistung negativ beeinflussen. Synchrotronstrahlung und Neutronen helfen dabei, die grundlegenden Prozesse dieser Veränderungen aufzudecken.

Lithiuminterkalation_SPODI_Senyshyn Die thermische Stabilität der Graphitanode ist ein entscheidender Faktor für die Leistung, Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, da temperaturbedingte Veränderungen beim Laden zu strukturellem Abbau führen können. © Created with AI

Die thermische Stabilität der Graphitanode ist ein entscheidender Faktor für die Leistung, Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, da temperaturbedingte Veränderungen beim Laden zu strukturellem Abbau führen können. © Created with AI

Die thermische Stabilität von lithiiertem Graphit hat sich als entscheidender Faktor für die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien erwiesen, insbesondere beim Schnellladevorgang oder hohen Entladungsraten. Sowohl niedrige als auch hohe Temperaturen können zu Veränderungen im Verhalten von Graphit führen, was sich auf die Gesamtlebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien auswirken kann.

Stabilität bei niedrigen Temperaturen

Bei Temperaturen unter -33°C beobachteten die Forschenden keine wesentliche Verschlechterung des lithiierten Graphits. Geringfügige Veränderungen der Beugungsintensitäten und das Auftreten zusätzlicher Reflexe von gefrorenen Elektrolytkomponenten stellten sie bei In-situ-Charakterisierungen fest. Diese Veränderungen hatten jedoch keinen Einfluss auf die strukturelle Stabilität des Graphits, behinderten allerdings die Li-Ionen-Diffusion während des Zellbetriebs bei niedrigen Temperaturen.

IMG 8568 Copyright-Bernhard-Ludewig Tobias Hölderle, Doktorand am hochauflösenden Strukturpulverdiffraktometer SPODI des FRM II und Erstautor der Studie © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

Tobias Hölderle, Doktorand am hochauflösenden Strukturpulverdiffraktometer SPODI des FRM II und Erstautor der Studie © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

Im Gegensatz dazu führt eine Überhitzung der Li-interkalierten Graphitanode zu irreversiblen strukturellen Veränderungen, die über den gesamten Bereich der Ladungszustände auftreten. Dr. Anatoliy Senyshyn, Instrumentverantwortlicher des Neutronenpulverdiffraktometers SPODI am MLZ und Leiter dieser Studie, sagt:
„Die aufgezeichneten Beugungsmuster weisen eindeutig auf die Bildung verschiedener Nebenprodukte beim Erhitzen hin, die zum Verlust von aktivem Lithium führen und den stabilen Zellbetrieb beeinträchtigen.“

Nebenreaktionen bei hohen Temperaturen

Kalorimetrische Untersuchungen ergaben ferner, dass Bindemittel- und Elektrolytreste am Degradationsprozess beteiligt sind, die zur Bildung von Passivierungsschichten auf den Oberflächen der Graphitpartikel führen. Die Stabilisierung der Elektrolytzusammensetzung könnte dazu beitragen, diese Auswirkungen zu mildern und die Lebensdauer der Batterie insgesamt zu erhöhen.