Forscher entwickeln Testverfahren für Schnellladung von Lithium-Ionen-Batterien

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Technischen Universität (TU) München habe ein Verfahren zur Untersuchung eines maßgeblichen Problems von Litium-Ionen-Batterien enwickelt. Dabei geht es um die schnelle Aufladung der Batterien, wie das Forschungszentrum Jülich am Mittwoch mitteilte. Mit der neuen Methode lasse sich die Lithium-Abscheidung an der Anode beim Ladevorgang erstmals direkt untersuchen. Das sogenannte Lithium Plating, metallisches Lithium, das sich an der Anode von Lithium-Ionen-Akkus abscheidet, gilt demnach als wichtigster limitierender Faktor für den Ladestrom. Unter den metallischen Ablagerungen leide die Leistungsfähigkeit der Batterie, in extremen Fällen könne sogar ein Kurzschluss oder Brand entstehen, schreiben die Wissenschaftler.

Beim Aufladen der Batterie wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch den flüssigen Elektrolyten und lagern sich in der porösen Anode aus Graphit ein. Doch je stärker der Ladestrom und je tiefer die Temperatur, desto wahrscheinlicher wird es, dass sich Lithium-Ionen nicht mehr in der Elektrode einlagern, sondern als feste metallische Ablagerungen auf deren Oberfläche anhäufen. Obwohl in Grundzügen bekannt, gebe das Phänomen noch viele Rätsel auf, so die Forscher. Denn wie und unter welchen Umständen Lithium Plating einsetzt, ließe sich bis jetzt nicht direkt beobachten. „Mit gängigen mikroskopischen Methoden können wir die Batterie nur im Nachhinein untersuchen, weil man sie dafür aufschneiden muss“, sagt Josef Granwehr vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. „Dabei finden zwangsläufig weitere Reaktionen statt, die die Ergebnisse verfälschen.“

Selbst hoch entwickelte Verfahren wie die Neutronenstreuung würden bislang nur indirekte Analysen erlauben. Zudem sei die verfügbare Messzeit an Forschungsreaktoren oder großen Teilchenbeschleunigern knapp, sie seien damit eher für grundlegende Untersuchungen als für langwierige praxisnahe Versuchsreihen geeignet. Das nun in der renommierten Fachzeitschrift „Materials Today“ vorgestellte Elektronenspinresonanz-Spektroskopie-Verfahren (ESR) ließe sich dagegen – bei moderaten Anschaffungskosten – gut in den Laboralltag integrieren.

Die Methode funktioniere ähnlich wie die bekanntere Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie, ziele aber nicht auf den Kern-, sondern den Elektronenspin ab. „Die Elektronen werden dabei in einem von außen angelegten statischen Magnetfeld ausgerichtet“, erläutert Granwehr. Anschließend werde die Probe mit Mikrowellen nach ungepaarten Elektronen „abgeklopft“. Diese würden durch Mikrowellen zum Umklappen im Magnetfeld angeregt, was sich anhand der damit verbundenen Schwächung der Mikrowellenstrahlung messen ließe. Dabei sei die ESR in der Lage, zwischen metallischen Lithium-Ablagerungen und in Graphit eingebautem Lithium zu unterscheiden.

Die Testzelle ist der Schlüssel

„Der Schlüssel zum Nachweis von Lithium Plating mittels ESR war der Aufbau einer Testzelle, die kompatibel mit den Anforderungen der ESR-Spektroskopie ist und gleichzeitig gute elektrochemische Eigenschaften aufweist“, erklärt Hauptautor Johannes Wandt. „Wichtig ist auch die Geometrie. Scharfe Messergebnisse sind nur dann zu erzielen, wenn die Probe nur dem magnetischen Feld, nicht aber dem zwangsläufig vorhandenen elektrischen Feld ausgesetzt ist.“ Um dies zu gewährleisten, habe er als Doktorand in der Gruppe von Hubert Gasteiger am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TU München eine stäbchenförmige Zelle entwickelt, mit der sich die Bildung von metallischem Lithium direkt und quantitativ exakt nachweisen ließe.

„Mit diesem Verfahren wird es nun erstmals möglich, Lithium Plating und die damit verbunden Prozesse differenziert zu untersuchen, was für eine Reihe von Anwendungen relevant ist“, erläutert Rüdiger Eichel, Direktor am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. „Ein Beispiel ist die Entwicklung von sicheren und gleichzeitig schnellen Ladeprotokollen. Mit unserem Verfahren lässt sich jetzt der maximale Ladestrom bis zum Einsetzen des Lithium Plating bestimmen sowie weitere Randbedingungen wie die Temperatur und Einfluss der Elektrodengeometrie ermitteln.“ Darüber hinaus eigne sich Methode als Testverfahren für unterschiedliche Batteriematerialien, etwa zur Entwicklung neuer Additive, mit denen sich der Effekt des Lithium Plating unterdrücken ließe.