Batterieforschung »Lithium-Plating« in Echtzeit beobachten

Lithium-Ionen-Akkus gelten als Energiespeicher der Zukunft.
Lithium-Ionen-Akkus gelten als Energiespeicher der Zukunft.

Beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie kann sich metallisches Lithium im Inneren der Batterie bilden und ablagern. Die Folge: Eine verringerte Lebensdauer und sogar ein Kurzschluss ist möglich. Forscher der TUM konnten nun das »Lithium-Plating« im Inneren der Batterie live beobachten – ohne die Batterie zu zerstören.

In einer Studie im Rahmen des Projekts EEBatt haben Forscher der TU München die Lithium-Ionen-Batterie bereits als die verbreiteste Batterie-Technologie identifiziert. Die Energiespeicher der Zukunft sind nicht nur für den Alltag, z.B. als Energiequelle für Smartphone oder Fernbedienung, unersetzlich, sondern sie sind auch in Zukunftsthemen wie Elektromobilität aufgrund ihrer Eigenschaften, z.B. schnelles und häufiges Laden oder längere Lagerung und Temperaturschwankungen, unverzichtbar. Allerdings kann sich beim Laden der Energiespeicher metallisches Lithium Bilden und im Inneren der Batterie ablagern. Das verringert die Lebensdauer und kann auch zu einem Kurzschluss führen.

Forschern der Technischen Universität München ist es nun gelungen, sozusagen eine Live-Schaltung in das Innere der Batterie zu legen und dieses Phänomen des sogenannten »Lithium-Plating« zu beobachten. Das Phänomen ist schon länger bekannt, allerdings bisher kaum in Detail erforscht.

Wie entsteht »Lithium-Plating«?

Das Funktionsprinzip eines Lithium-Ionen-Akkus ist im Prinzip einfach: Die Kathode enthält Lithium-Metalloxide und ist durch eine ionendurchlässige Trennschicht von der Anode aus Graphit getrennt. Beim Ladevorgang wandern die Lithium-Ionen zur Anode und speichern dort Elektronen aus einer Energiequelle. Beim Entladen strömen die Lithium-Ionen wieder zurück zur Kathode und setzen damit Energie frei.

Wie schon beschrieben besteht die Anode aus Graphit, sprich: Kohlenstoff, welches eine Schichtstruktur aufweist. In diese Schichten lagern sich während des Ladens Lithium-Ionen ab. Es kann jedoch vorkommen, dass sich die Lithium-Ionen nicht in die Anode einlagern, sondern metallisches Lithium bilden, welches sich an der Anode anlagert - »Lithium-Plating«. Das angelagerte metallische Lithium steht somit nicht mehr für den Ladeprozess zur Verfügung. Sowohl Leistungsfähigkeit als auch Lebensdauer nehmen ab und im schlimmsten Fall kommt es zu einem Kurzschluss. Erwähnenswert ist auch, dass metallisches Lithium schnell entflammbar ist.