Diese Verbesserungen sind in der Batterieentwicklung beispiellos, wo Anpassungen der Zusammensetzung üblicherweise nur Verbesserungen zwischen 5 % und 10 % bewirken. Die Verlängerung der Lebensdauer von Batterien für Elektrofahrzeuge würde nicht nur die Entsorgungsrate auf Mülldeponien und in Recyclinganlagen senken, sondern auch die Umweltbelastung durch den Abbau von Nickel und Kobalt verringern.
Der Druck muss jedoch genau stimmen: Ist er zu hoch oder zu niedrig, fallen die Batterien aus. Forscher haben ein spezielles Gerät entwickelt, um den Druck in der Batterie innerhalb dieses „idealen“ Bereichs zu halten, ohne auf spezielle chemische Prozesse zurückgreifen zu müssen. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.
Lithium-Ionen-Batterien bestehen im Wesentlichen aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten. Bei jedem Lade- und Entladezyklus wandern Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und wieder zurück. Dadurch dehnt sich die Batterie aus und zieht sich zusammen, ähnlich wie sie atmet.
„Batterien mögen diesen Lade- und Entladezyklus im Allgemeinen nicht“, sagte Professor Michael De Volder vom Fachbereich Ingenieurwesen der Universität Cambridge, der die Forschungsarbeit mitgeleitet hat. „Ein Großteil der Arbeit zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien wird von Chemikern und Physikern geleistet, aber als Maschinenbauingenieur wollte ich auch die Rolle der Mechanik untersuchen.“
Zu diesem Zweck bauten De Volder und seine Kollegen ein Gerät, das eine sogenannte „Bag Cell“ (eine Art von Batterie) mithilfe von pneumatischen Bälgen komprimiert – winzigen, luftgefüllten Kissen, die wie eine selbstjustierende Klemme wirken. Die Bälge halten den Druck konstant, während ein Sensor die minimalen Volumenänderungen beim Laden und Entladen der Batterie misst.
„Wir haben einfach handelsübliche Batterien gekauft und ihre Lebensdauer unter verschiedenen Drücken getestet“, erklärte De Volder. „Wir mussten weder die Zusammensetzung des Elektrolyten noch die der Elektroden verändern.“
Sie fanden heraus, dass der Balgdruck im optimalen Bereich liegen muss: bei etwa 12,5 bar, ungefähr dem Vierfachen des Standarddrucks herkömmlicher Knopfzellen. Außerhalb dieses Bereichs versagen die Batterien schneller. Ist der Druck zu hoch, können sich Lithiumplatten an der Anode bilden, ist er zu niedrig, kann die Kathode reißen.
„Wir haben festgestellt, dass sich die Gesamtlebensdauer der Batterie deutlich verbessert, wenn der Druck während jedes Lade- und Entladezyklus relativ konstant gehalten wird“, erklärte De Volder. „Wird zu stark gedrückt, leidet die Anode. Ist der Druck zu gering, beginnt die Kathode zu degenerieren. Unsere Experimente haben den optimalen Druckbereich für Batterien ermittelt.“
Die Ergebnisse, obwohl noch in einem frühen Stadium, könnten wichtige Auswirkungen auf den schnell wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge haben, insbesondere auf den Gebrauchtwagenmarkt. „Je länger das Produkt hält, desto seltener müssen die Materialien recycelt werden“, sagte De Volder. „Und momentan sind wir beim Recycling von Batterien sehr ineffizient.“
Darüber hinaus könnten langlebigere Batterien für Elektrofahrzeuge die Menge der Rohstoffe reduzieren, die – oft unter extrem prekären Bedingungen – für die Herstellung neuer Batterien gewonnen werden müssen. „Wir haben eine Lösung für sauberere Elektroautos entwickelt, müssen aber sicherstellen, dass wir im Gegenzug keine neuen Umweltkatastrophen in anderen Teilen der Welt verursachen“, sagte De Volder. „Wenn wir den Druck auf diese Bergbaubetriebe etwas verringern könnten, wäre das ein weiterer großer Vorteil.“
Die Technologie wurde im Labormaßstab getestet, muss aber für kommerzielle Batterieanwendungen skaliert werden. Cambridge Enterprise, die Innovationsabteilung der Universität, hat ein Patent angemeldet.
Die Forschung wurde teilweise vom Europäischen Forschungsrat, der Faraday Institution und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), einem Teil von UK Research and Innovation (UKRI), gefördert. Michael De Volder ist Fellow des St John’s College, Cambridge.
Referenz:
Heng Wang, Rui Wang et al. The interaction between cell pressure, mechanical expansion, and degradation pathways in NMC-graphite lithium-ion batteries. Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02087-6
