Lithiumionen-Akkus Rätsel um Alterungsprozess gelöst?

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Kathode eines Nickel-Mangan-Cobalt-Akkus (NMC).
Elektronenmikroskopische Aufnahme der Kathode eines Nickel-Mangan-Cobalt-Akkus (NMC).

Ein wichtiges Problem von Lithiumionen-Akkus ist ihre Alterung – bereits beim ersten Ladezyklus verliert ein Akku bis zu zehn Prozent seiner Kapazität. Bisher ist nur wenig darüber bekannt, wie es dazu kommt. Nun haben Wissenschaftler wichtige Entdeckungen gemacht.

Nicht nur beim ersten Ladezyklus, sondern auch bei jedem weiteren Lade- und Entladevorgang sinkt die Kapazität von Lithiumionen-Akkus weiter, wenn auch nur geringfügig. Auch bei bloßer Lagerung, vor allem bei Temperaturen über der Raumtemperatur, geht weitere Kapazität verloren. Für diese Alterungseffekte hat die Physik zwar mehrere Ideen, aber noch keine endgültige Erklärung gefunden.

Wissenschaftler des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie und der Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) an der Technischen Universität München (TUM) sind dem in ihren neuesten Experimenten ein gutes Stück näher gekommen. Um den Alterungsmechanismus zu verstehen und die Gründe dafür herauszufinden, kombinierten die TUM-Wissenschaftler elektrochemische Untersuchungen mit so unterschiedlichen Messmethoden wie Röntgenstreuung, Impedanzmessungen und Prompte Gamma-Aktivierungsanalyse (PGAA).

Mit diesen analysierten sie das Verhalten von Akkus mit Graphit-Anode und Nickel-Mangan-Cobalt-Kathode, sogenannte NMC-Zellen, bei verschiedenen Temperaturen. NMC-Zellen sind beliebt in der Elektromobilität, denn sie besitzen eine hohe Kapazität und halten theoretisch Ladespannungen von bis zu knapp fünf Volt aus. Bei Spannungen über 4,4 Volt nimmt jedoch die Alterung stark zu.

Mit Hilfe der Röntgenstreuung untersuchten die Wissenschaftler den Verlust an aktivem Lithium über mehrere Ladezyklen. Impedanzmessungen der Akkuzellen dienten dazu, den zunehmenden Widerstand zu erfassen. Die Aktivierungsanalyse mit Neutronen schließlich half, die extrem geringen Mengen an abgeschiedenem Übergangsmetall auf den Graphitelektroden sicher zu bestimmen.