Die außergewöhnlichen Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterie haben unseren Alltag wie kaum eine andere Erfindung verändert. Im Laufe der Zeit treten jedoch verschiedene Effekte auf, die die hohe Speicherkapazität dieser Batterien allmählich verringern.
An der Heinz Maier-Leibnitz Forschungsneutronenquelle (FRM II) der Technischen Universität München nutzte Dr. Anatoliy Senyshyn, Instrumentenwissenschaftler für das hochauflösende Pulverdiffraktometer SPODI, die Neutronenstreuung, um die Ursache dieser Effekte in zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen.
Gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern sucht er Antworten auf grundlegende Fragen zur Struktur und zum Verhalten wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Batterien: Warum nimmt die verfügbare Kapazität mit der Zeit ab? Wie ist Lithium in der Batterie verteilt?
Warum Neutronen zur Untersuchung von Akkumulatoren einsetzen?
Die Beobachtung des Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle während des Lade- und Entladevorgangs – beispielsweise die Elektrolytzersetzung oder die Lithiumverteilung – ist aufgrund der hohen Reaktivität ihrer Komponenten mit Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit von außen sehr schwierig.
Neutronen sind empfindlich gegenüber leichteren Elementen wie Wasserstoff und Lithium. Daher können sie das Lithium in einer Zelle sichtbar machen und so Untersuchungen unter realen Betriebsbedingungen ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil der Arbeit mit Neutronen ist ihre Eignung für zerstörungsfreie Prüfverfahren. So können Forscher beispielsweise interne Batterieprozesse von außen beobachten, ohne das empfindliche System zu beeinträchtigen.
Warum nimmt die Akkukapazität ab?
Lithium-Ionen-Zellen erzeugen Strom, indem Lithiumatome Elektronen abgeben, die durch ein angeschlossenes Gerät fließen. Gleichzeitig wandert innerhalb des Akkus ein Lithiumion von einer Elektrode zur anderen; das bedeutet, dass immer nur so viele Elektronen verfügbar sind wie Lithiumionen vorhanden sind. Wenn ein Akku an Kapazität verliert, kann man auch sagen, dass Lithium „verloren“ geht. Aber wohin verschwindet es?
Neutronenstreuexperimente mit den Instrumenten STRESS-SPEC und SPODI zeigten einen linearen Zusammenhang zwischen dem Verlust mobiler Lithiumionen und der Zersetzung des Elektrolyten, die beispielsweise als unerwünschte Nebenreaktion beim Laden auftritt.
Die bei der Zersetzung des Elektrolyten entstehenden Produkte binden Lithiumatome, die nicht mehr als mobiles Lithium für den Austausch zwischen den beiden Elektroden zur Verfügung stehen. Dadurch verliert die Batterie an Kapazität: Sie altert.
Wie ist Lithium verteilt?
Bisher gingen theoretische Modelle, Berechnungen und Messungen im Allgemeinen von einer gleichmäßigen Lithiumverteilung in diesen Batterien aus. Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Lithium von Anfang an sehr ungleichmäßig verteilt ist und diese Inhomogenität mit der Zeit zunimmt.
Die Modellierung von Lithium-Ionen-Batterien lässt sich verbessern, wenn Entwickler diese ungleichmäßige Lithiumverteilung berücksichtigen. Darüber hinaus können auf Basis dieser Verteilung Aussagen über die Speicherkapazität der Lithium-Ionen-Zelle getroffen werden. Diese Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage für die zukünftige Herstellung effizienterer wiederaufladbarer Batterien mit längerer Lebensdauer und höherer Leistung.
Veröffentlichungen:
Dominik Petz, Martin J. Mühlbauer, Alexander Schökel, Klaus Achterhold, Franz Pfeiffer, Thilo Pirling, Michael Hofmann und Anatoliy Senyshyn.
Heterogenität der Graphitlithifizierung in modernsten zylindrischen Lithium-Ionen-Zellen.
Batterien und Supercaps, 28. Oktober 2020 – DOI: 10.1002/batt.202000178
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.202000178
M. J. Mühlbauer, D. Petz, V. Baran, O. Dolotko, M. Hofmann, R. Kostecki, A. Senyshyn:
Nicht-homogene Verteilung von Lithium und Elektrolyt in gealterten zylindrischen Lithium-Ionen-Zellen.
Journal of Power Sources, 475 (2020) 228690 - DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228690
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228690
Weitere Informationen:
Die Arbeit wurde vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Bavarian-California Technology Center (BaCaTeC) sowie vom US-Energieministerium im Rahmen seiner Forschungsaktivitäten zu fortschrittlichen Batteriematerialien finanziert.
