Lithium-Ionen-Akkus: Verblüffend einfache Maßnahme könnte die Lebensdauer verdoppeln

Egal ob in Notebooks, Smartphones oder gar E-Autos: Lithium-Ionen-Akkus sind aus unserem Alltag quasi nicht wegzudenken. Die Akkus verfügen über eine hohe Energiedichte und können relativ häufig auf- und wieder entladen werden. Allerdings ist ihre Lebensdauer begrenzt. Forscher:innen konnten nun in einem Experiment zeigen, wie die Lebensdauer gängiger Lithium-Ionen-Batterien deutlich verlängert werden kann. Durch eine relativ einfache Maßnahme gelang es ihnen, den sogenannten Memoryeffekt der Akkus, also den Schwund der Ladekapazität mit zunehmenden Ladezyklen, deutlich zu verringern.

Zunehmende Zahl Ladezyklen verringert die Akku-Kapazität

Die besten Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt haben eine Lebensdauer von fünf bis acht Jahren. Innerhalb dieser Zeit sinkt die Ladekapazität auf unter 80 Prozent, sie gelten dann als ineffizient.

Wenn ein Lithium-Ionen-Akku geladen und entladen wird, kommt es im Inneren zu elektrochemischen Reaktionen, bei denen auf Dauer das Material der Elektroden geschädigt wird. Es entstehen nicht nur Mikrorisse und Abschuppungen, sondern es kommt auch zur Anlagerung von Lithium an der Anode. Diese Lithiumschicht bezeichnet man als Solid Elektrolyt Interface (SEI). Sie stört die Reaktionen im Inneren des Akkus und verringert mit fortschreitender Zeit seine Ladekapazität.

Ist Laden mit gepulstem Strom vorteilhaft für den Akku?

Ein Team rund im Jia Guo von der Humbold-Universität in Berlin hat nun ein geändertes Ladeprotokoll getestet, mit dem dieses Problem zumindest verringert und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus deutlich verlängert werden kann. Aktuell werden Akkus in der Regel mit einem konstanten Wechselstrom aufgeladen. Die Forscher:innen haben untersucht, wie sich ein schneller Wechsel von Stromzufluss und Pausen auf die Lebensdauer des Akkus auswirkt.

Für ihre Tests verwendeten die Wissenschaftler:innen unterschiedliche Lithium-Ionen-Akkus des Typs 19650. Diese wurden entweder auf die gängige Art und Weise oder mit einem hochfrequent gepulsten Strom aufgeladen. Im Falle des gepulsten Strom wechselte die Spannung mit einer Frequenz von 100 oder 2000 Hertz.

Wie sich zeigte, verloren die Akkus, die herkömmlich geladen wurden, innerhalb von 500 Ladezyklen etwa 20 Prozent ihrer Kapazität. Nach 1.000 Zyklen lag die Kapazität bei 37,8 Prozent. Beim Laden mit gepulstem Strom sah das anders aus: Bei einer Frequenz von 100 Hertz war die Kapazität nach 1000 Zyklen noch bei 66,5 Prozent, bei 2000 Hertz waren es sogar fast 82 Prozent.

„Die Lebensdauer des Akkus ist bei diesem hochfrequenten Ladeprotokoll damit mehr als doppelt so hoch„, so die Forscher:innen. Nähere Analysen an der Röntgenquelle BESSY II enthüllten die Gründe für diese Tatsache.

Verdoppelung der Lebensdauer

Es zeigten sich nämlich deutliche Unterschiede im Inneren der Akkus. „Das Aufladen mit gepulstem Strom fördert die homogene Verteilung der Lithium-Ionen im Graphit. Dadurch verringert sich die mechanische Belastung und Rissbildung in den Graphitpartikeln, sodass die Graphitanode länger stabil bleibt„, so Yaolin Xu vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), die an dem Projekt beteiligt war. Außerdem hemmt die gepilste Ladung wohl auch den Zerfall des Elektrolyten und damit das Wachstum der SEI-Schicht auf der Anode des Akkus. Es entstehen dennoch Ablagerung, die aber flexibler und langsamer wachsen als bei herkömmlichen Lademethoden.

Die Forscher:innen gehen davon aus, einen simplen Ansatz gefunden zu haben, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. „ Das gepulste Laden könnte viele Vorteile in Bezug auf die Stabilität der Elektrodenmaterialien und der Grenzflächen bringen und die Lebensdauer der Batterien deutlich verlängern„, so Julia Kowal von der Technischen Universität Berlin, Koautorin des Paper.

Allerdings sei noch weitere Forschung erforderlich, um die optimale Pulsdauer für das Laden der Akkus zu ermitteln. Die Forscher:innen wollen in Zukunft unter Umständen auch noch höhere Frequenzen testen.

via Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH