Forscher der TU München kommen Kapazitätsverlusten von Lithium-Ionen-Zellen auf die Spur

Lithium-Ionen-Batterien verlieren im Laufe der Zeit an Kapazität. Forscher der Technischen Universität München haben nun eine Ursache dafür ermittelt: Zersetzungsprodukte der Elektrolytflüssigkeit fangen das das bewegliche Lithium im Akku ab. Dazu kommt, dass das Lithium in der Zelle „überraschend“, so die Forscher, ungleich verteilt ist. Nach Meinung der Wissenschaftler sind diese Ergebnisse eine wichtige Basis, um Akkus effizienter, langlebiger und leistungsstärker zu machen.

Die zur Degradation führenden Abläufe im Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle – beispielsweise ein sich zersetzender Elektrolyt – lassen sich außerhalb der Zelle aufgrund der hohen Reaktivität der Zellbestandteile gegenüber Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit nur schwer beobachten. Daher hat das Forscherteam um Anatoliy Senyshyn quasi in die Zelle geschaut, in dem es die Neutronenstreuung als Werkzeug nutzte.

Neutronen sind besonders empfindlich gegenüber leichten Elementen wie beispielsweise Wasserstoff und Lithium. Sie können das Lithium daher auch im Inneren einer Zelle sichtbar machen, was Untersuchungen unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Neutronen bieten zudem den Vorteil, dass sie zerstörungsfrei messen. Ihre Arbeit haben die Wissenschaftler an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU München sowie am Institut Laue-Langevin im französischen Grenoble (Frankreich) und am Deutschen Elektronen Synchrotrons (DESY) in Hamburg durchgeführt.

Bei Lithium-Ionen-Zellen entsteht ein Stromfluss dadurch, dass ein Lithiumatom ein Elektron abgibt und dieses Elektron durch das angeschlossene Gerät fließt. Innerhalb der Zelle wandert gleichzeitig ein Lithium-Ion von einer Elektrode zur anderen. Es stehen also immer nur so viele Elektronen wie Lithium-Ionen zur Verfügung. Verliert der Akku an Kapazität, so ist dies damit gleichzusetzen, dass Lithium „verloren“ geht.

Die Neutronenstreuexperimente an den Diffraktometer-Instrumenten STRESS-SPEC und SPODI zeigten einen linearen Zusammenhang zwischen dem Verlust von beweglichen Lithium-Ionen und der Zersetzung des Elektrolyten, die beispielsweise beim Laden als ungewollte Nebenreaktion stattfindet. Die entstehenden Zersetzungsprodukte des Elektrolyten lagern Lithiumatome ein, welche dann nicht mehr als bewegliches Lithium zur Verfügung stehen, um zwischen den beiden Elektroden ausgetauscht zu werden. So verliert der Akku an Kapazität – er altert.

Darüber hinaus haben die Untersuchungen ergaben, dass das Lithium in der Zelle von Anfang an sehr ungleich verteilt ist – und dass die Inhomogenität mit der Zeit sogar noch steigt. Bei theoretischen Modellen, Berechnungen oder Messungen wurde bisher meist von einer gleichmäßigen Verteilung des Lithiums ausgegangen. Die Modellierung von Lithium-Ionen-Zellen kann also deutlich verbessert werden, wenn Entwickler diese Inhomogenität berücksichtigten. Basierend auf der Verteilung des Lithiums können zudem Aussagen über die Speicherfähigkeit der Lithium-Ionen-Zelle getroffen werden.

Das wissenschaftliche Paper des Forschungsteams ist hier abrufbar.