Live aus der Batterie

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Lithium-Ionen -Akkus sind vor allem für die Elektromobilität unverzichtbar. Lesen Sie, wie es jetzt gelungen ist, einen „zerstörungsfreien“ Blick ins Innere der Batterie zu werfen.

Der Lithium-Ionen-Akku gilt als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität, hat aber leider einige unerwünschte Eigenschaften. So kann es vorkommen, dass Lithium-Ionen während des Ladens – statt sich wie erwünscht in die Anode einzulagern – metallisches Lithium bilden. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der Batterie vermindert. Und in extremen Fällen kann es sogar zu einem Kurzschluss kommen. Metallisches Lithium ist außerdem schnell entflammbar.

Lithium-Ionen -Akku zerstörungsfrei untersucht

Bisher war es nicht möglich, den Mechanismus dieses sogenannten Lithium-Platings genau zu beobachten. Wird der Lithium-Ionen-Akku geöffnet, kann immer nur eine Momentaufnahme des Zustands beobachtet werden. Allerdings ändert sich die Menge des metallischen Lithiums laufend. Mithilfe von Neutronenstrahlen konnten die Wissenschaftler die Prozesse in der Batterie nun erstmals live beobachten, ohne diese aufzuschneiden.

Die Forscher bestrahlten die Batterie während des Ladens und Entladens mit Neutronenstrahlen. Der einfallende Neutronenstrahl wird an der Batterie nach dem Gesetz der Braggschen Gleichung gebeugt und schließlich in einem Detektor aufgenommen. Anhand dieser Signale ermitteln die Wissenschaftler indirekt, wie viel metallisches Lithium sich gebildet hat. Im Vergleich zu anderen Methoden kann man mittels Neutronendiffraktion genauere Aussagen treffen, wann wie stark das Lithium-Plating auftritt.

Schnellere Ladung – mehr metallisches Lithium

Erste Ergebnisse der Messungen:

  • Je schneller der Ladevorgang, desto mehr metallisches Lithium wird gebildet. Bis zu 19 Prozent der normalerweise am Lade- und Entladeprozess beteiligten Lithium-Ionen liegen dabei als metallisches Lithium vor. (Die Messung wurde bei -20 Grad Celsius durchgeführt.)
  • In einer Pause von 20 Stunden nach einem schnellen Ladevorgang reagiert ein Teil des metallischen Lithiums wieder mit dem Graphit, Lithium-Ionen lagern sich in die Graphit-Schicht ein. Es handelt sich sozusagen um einen nachträglichen, langsamen Ladeprozess. Allerdings ist nur ein Teil des Lithium-Platings reversibel.
  • Tiefe Temperaturen begünstigen die Bildung von metallischem Lithium.

Die Wissenschaftler planen weitere Experimente, die den Mechanismus des Lithium-Platings noch detaillierter aufklären sollen. Diese Ergebnisse könnten dabei helfen, herauszufinden, wie das Phänomen sich so gut wie möglich vermeiden lässt. Hierzu gehört auch die Beantwortung der Frage, wie schnell geladen werden kann, bevor Lithium-Plating einsetzt.

Die Studie ist Teil des BMBF-Projektes ExZellTUM (Exellenzzentrum für Batteriezellen).

www.tum.de

Lithium-Ionen-Akku

Wenn eine externe Spannung mit der gleichen Polarität zwischen den Stromabnehmern angelegt wird, startet der Ladevorgang. Die Lithium-Atome verlassen die Metall-Oxid-Struktur und ionisieren in Lithium-Ionen unter Freisetzung von Elektronen. Analog zur Entladung diffundieren Lithium-Ionen zur negativen Elektrode. An der Oberfläche der Graphitteilchen rekombinieren die Lithium-Ionen und Elektronen miteinander und bilden wieder neutrale Lithium-Atome, die in die molekulare Struktur des Graphits eingelagert werden.