Batterien: Einfache Methode verlängert die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus um mehr als 50 Prozent

Lithium-Ionen Akkus finden sich in unserem Alltag quasi überall – unter anderem in Handys, in Notebooks, in elektrischen Kleingeräten und in Elektroautos. Die Lebensdauer solcher Akkus ist begrenzt. Nach ein paar Jahren beginnt die Ladekapazität nachzulassen, bis die Akkus irgendwann nicht mehr einsetzbar sind. Forscher:innen fanden nun heraus, dass die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus um mehr als 50 Prozent verlängert werden kann. Die Maßnahme, die dafür nötig ist, könnte ganz einfach umgesetzt werden.

Lithium-Ablagerungen lassen Akkus altern

Für die mit der Zeit sinkende Ladekapazität der Akkus sind Lithiumablagerungen an der negativen Elektrode verantwortlich. Diese behindern den internen Ladungsaustausch. Dieses sogenannte Solid Elektrolyt Interface (SEI) ist der Faktor, der die Lebensdauer der Batterie am meisten beeinflusst.

Nach der Herstellung werden die Akkus noch in der Fabrik zum ersten Mal geladen. Man bezeichnet diesen Vorgang als Formatierung des Akkus. Während dieser Formatierung wird kontrolliert eine erste SEI-Schicht gebildet, die weitere Ablagerungen an der Anode bremsen soll. „Die Formatierung ist der finale Schritt im Produktionsprozess. Wenn sie schiefgeht, ist die ganze bis dahin in die Batterie gesteckte Arbeit und Energie umsonst„, so Xiao Cui von der Stanford University.

Der Vorgang des Formatierens von Lithium-Ionen-Akkus wird aktuell langsam und mit einer niedrigen Spannung durchgeführt, was dazu führt, dass sich etwa neun Prozent des anfänglich vorhandenen Lithiums in der SEI-Schicht ab. Dieses Lithium steht damit für den weiteren Ladungsaustausch nicht mehr zur Verfügung. Die anfänglichen Ablagerungen sollen die Anode vor weiteren Ablagerungen schützen und so die Alterung des Akkus verlangsamen.

Hohe Temperatur und Spannung

Gemeinsam mit seinem Team hat Cui nun belegt, dass dies nicht zutrifft. Für das Experiment haben die Forscher:innen 186 neu produzierte Lithium-Ionen-Akkus auf unterschiedliche Art und Weise formatiert. Sie setzten die Akkus 62 verschiedenen Kombinationen von Ladespannung, Ladedauer und Temperatur aus. Anschließend prüfte das Team, wie viele Ladezyklen die Akkus durchhalten. Die Forscher:innen analysierten außerdem den Zustand der SEI-Schicht.

Die Ergebnisse fielen nicht so aus, wie das Team erwartet hatte. Hohe Ladespannung und hohe Temperatur bei der Formatierung galt bisher eher als schädlich. Im Experiment erwiesen sie sich allerdings als vorteilhaft. „Überraschenderweise verlängert eine hohe Spannung beim ersten Laden die Lebensdauer der Batterien im Schnitt um 50 Prozent„, so die Forscher:innen. Auch eine Formatierungstemperatur von 55 Grad Celsius erhöhte die Lebensdauer.

Zwei Effekte verlängern die Lebensdauer

Nähere Analysen zeigten dann, dass die hohe Anfangsspannung auf den ersten Blick negativ wirkt, indem sie eine dickere SEI-Schicht erzeugt und dabei 30 Prozent des vorhandenen Lithiums benötigt. Allerdings wird dabei auch mehr Lithium aus dem Umfeld der Anode in die SEI-Schicht integriert. Dieses steht dann nicht mehr für Reaktionen zur Verfügung, die die Ablagerungen fördern.

Somit verlangsamt sich dann die Bildung der Schädlichen Lithium-Aklagerungen. „Obwohl die Formatierung mit hoher Spannung signifikante Neben-Reaktionen verursacht, führt gerade dies zu einer bis zu 70-prozentigen Zunahme der Zyklenzahl„, schreiben die Forscher:innen. Dieser Effekt gleicht den größeren Verlust reaktiven Lithiums am Anfang aus. Außerdem ist die erhöhte Temperatur ein Faktor, der zu einem weiteren Effekt führt: Durch sie werden Reaktionen gefördert, die die Struktur der SEI-Schicht verbessern.

Cui und seine Kolleg:innen gehen davon aus, dass ihre Erkenntnisse von enormer praktischer Bedeutung für die Produktion und Optimierung von Lithium-Ionen-Akkus sind. „Die Batterieproduktion erfordert viel Energie, Zeit und Kapital, entsprechend aufwendig ist es, ein ganz neues Batterie-Design zu entwickeln„, erläutert Cui. Er sieht durchaus auch die Möglichkeit, die Erkenntnisse auf neue Prozesse und zukünftig entwickelte Batterie-Typen anzuwenden.

via SLAC National Accelerator Laboratory