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Gefangenes Lithium

Wie und warum Lithiumionen-Akkus altern

11. Februar 2021, 13:55 Uhr   |  Heinz Arnold

Wie und warum Lithiumionen-Akkus altern
© Andreas Heddergott / TUM

Martin Mühlbauer montiert eine Lithium-Ionen-Zelle im Objektträger des hochauflösenden Pulverdiffraktometers (SPODI) am FRM II.

Zersetzungsprodukte fangen das bewegliche Lithium im Akku ab, die Speicherfähigkeit sinkt mit der Zeit. Außerdem ist das Lithium in der Zelle ungleich verteilt.

Dieses überraschende Ergebnis lieferten Untersuchungen, die ein deutsch-amerikanisches Forschungsteam an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München durchführte. Dr. Anatoliy Senyshyn, Instrumentwissenschaftler am Pulverdiffraktometer SPODI, ging den Ursachen auf den Grund, indem er Neutronenstreuung als Werkzeug nutzte, um zylindrische Lithium-Ionen-Akkus zu analysieren.

Zusammen mit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern suchte er Antworten auf grundsätzliche Fragen zum Aufbau und Verhalten von Lithium-Ionen-Akkus: Warum reduziert sich die verfügbare Kapazität mit der Zeit? Wie ist das Lithium im Akku verteilt?

Weshalb wird ein Akku mit Neutronen untersucht?

Die Abläufe im Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle, wie beispielsweise ein sich zersetzender Elektrolyt oder die Verteilung des Lithiums, die während des Auf- und Entladens ablaufen, lassen sich außerhalb der Zelle aufgrund der hohen Reaktivität der Zellbestandteile gegenüber Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit nur schwer beobachten.

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.

Farblich gekennzeichnete Konzentration von Lithium (links) und Elektrolyt (rechts) in einer frischen und einer gealterten (600 Lade- bzw. Entladezyklen) Lithium-Ionen Zelle.
© Anatoly Senyshyn / TUM

Farblich gekennzeichnete Konzentration von Lithium (links) und Elektrolyt (rechts) in einer frischen und einer gealterten (600 Lade- bzw. Entladezyklen) Lithium-Ionen Zelle.

Neutronen bieten zudem den Vorteil, dass sie zerstörungsfrei messen. So können die Forscherinnen und Forscher Vorgänge in der Batterie von außen beobachten, ohne in das empfindliche System einzugreifen.

Warum sinkt die Kapazität?

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. Doch wohin verschwindet es?

Die Neutronenstreuexperimente an den 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 dabei entstehenden Zersetzungsprodukte des Elektrolyten lagern Lithiumatome ein, die 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.

Wie ist das Lithium verteilt?

Bei theoretischen Modellen, Berechnungen oder Messungen wurde bisher meist von einer gleichmäßigen Verteilung des Lithiums ausgegangen. Die Untersuchungen ergaben jedoch, dass das Lithium von Anfang an sehr ungleich verteilt ist und die Inhomogenität mit der Zeit sogar noch steigt.

Die Modellierung von Lithium-Ionen-Zellen kann also deutlich verbessert werden, wenn Entwickler diese ungleiche Lithium-Verteilung berücksichtigten. Basierend auf der Verteilung des Lithiums können zudem Aussagen über die Speicherfähigkeit der Lithium-Ionen-Zellen getroffen werden. Diese Ergebnisse sind eine wichtige Basis, um zukünftige Akkus effizienter, langlebiger und leistungsstärker zu machen.

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