Neue Forschungs-Erkenntnisse Warum nimmt die Kapazität von Akkus ab?

Die Wissenschaftler Thomas Gigl und Stefan Seidlmayer waren an den Forschungsarbeiten beteiligt. Hier sind sie an der Positronenquelle Nepomuc zu sehen.
Die Wissenschaftler Thomas Gigl und Stefan Seidlmayer waren an den Forschungsarbeiten beteiligt. Hier sind sie an der Positronenquelle Nepomuc zu sehen.

Die Kapazität von Akkus nimmt mit jedem Lade-/Entladezyklus weiter ab. Die physikalischen Gründe dafür waren bislang nicht bekannt. Neue Forschungsergebnisse bringen hier Klarheit - diese können nun für die Entwicklung langlebigerer Akkus verwendet werden.

Die NMC-Akkus, deren Kathoden aus einer Mischung aus Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium bestehen, haben die herkömmlichen Lithium-Kobaltoxid-Akkus weitgehend vom Markt verdrängt. Sie sind billiger und sicherer und werden deshalb unter anderem für Elektro- und Hybridautos eingesetzt.

Doch auch bei NMC-Akkus tragen nur knapp mehr als die Hälfte der Lithium-Atome zur tatsächlichen Kapazität bei. Dies hat die TU München bestätigt: Bei der ersten Entladung der untersuchten Elektroden ließen sich immerhin 62 % der Lithium-Atome aus dem Kristallgitter herauslösen, aber beim Wiederaufladen kehrten nur 54 % zurück.

Bei den darauffolgenden Zyklen ist der Verlust zwar erheblich geringer, doch sinkt die Kapazität schleichend immer weiter ab. Nach einigen Tausend Zyklen ist die Restkapazität dann so gering, dass der Akku unbrauchbar wird.

Doch was ist der Grund dafür? Verschiedene Forschungsgruppen kamen bereits zu der Überzeugung, dass beim Laden nicht alle Lithium-Atome wieder in die passenden Lücken im Kristallgitter zurückfinden. Doch welche atomaren Prozesse hierfür verantwortlich sind, blieb bislang unklar.

Interdisziplinäre Arbeit sorgt für Erkenntnisse

Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Technische Elektrochemie an der TU München und dem Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum, an dem mit Hilfe der Forschungs-Neutronenquelle FRM II an Akkutechnologien geforscht wird, brachte nun neue Erkenntnisse.

Denn die Wissenschaftler haben für ihre Untersuchungen das Instrument Nepomuc verwendet. Nepomuc erzeugt Positronen – die Antiteilchen der Elektronen – mit denen sich gezielt nach Löchern in Kristallgittern fahnden lässt. Da Positronen sehr klein und hoch beweglich sind, können sie durch Materialien hindurch fliegen. Treffen sie auf ein Elektron, so enden sie auf der Stelle in einem Energieblitz. Finden sie hingegen eine leere Stelle im Kristallgitter, überleben sie deutlich länger.

Da die Positronen für kurze Zeit in den leeren Gitterplätzen gefangen sind, bevor sie letztendlich doch zerstrahlen, lassen sich mit Hilfe der Positronen-Annihilationsspektroskopie genaue Rückschlüsse auf die lokale Umgebung ziehen, und das mit einer sehr hohen Empfindlichkeit. Fehlerstellenkonzentrationen von bis zu 1:10 Millionen lassen sich auf diese Weise detektieren.

Es konnte nachgewiesen werden, dass die beim Wiederaufladen verbleibenden Löcher im Gitter des Kathodenmaterials mit dem irreversiblen Kapazitätsverlust einhergehen und dass die Blockade auf die mangelnde Befüllung der Löcher im Kathodenmaterial zurückzuführen ist.

Darauf aufbauend wollen die Chemiker am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie nun mittels gezielter Modifikation des Kathodenmaterials nach Möglichkeiten suchen, diese Barriere zu umgehen.