07.12.2017, 15:25 Uhr

Weg frei für schnellladefähige Lithium-Ionen Batterien

Jülich - Wenn Lithiumionen-Akkus zu schnell aufgeladen werden, dann führen metallische Ablagerungen dazu, dass die Batterie-Lebensdauer reduziert oder der Akku gar zerstört wird. Forscher können dies jetzt mit einem neuen Verfahren verhindern.

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Technischen Universität München (TUM) haben ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich die Vorgänge bei der Bildung von metalischem Lithium (Plating) erstmals direkt untersuchen lassen. Grundlegende Fortschritte zur Entwicklung neuer Schnellladestrategien, die die Lithiumionen-Akkus schonen, rücken in greifbare Nähe.

Schellladeproblem - der Lithium Plating Effekt

Beim Aufladen der Batterie wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch den flüssigen Elektrolyten und lagern sich in der porösen Anode aus Graphit ein. Doch je stärker der Ladestrom und je tiefer die Temperatur, desto wahrscheinlicher wird es, dass sich Lithium-Ionen nicht mehr in der Elektrode einlagern, sondern als feste metallische Ablagerungen auf deren Oberfläche anhäufen. Dieser Effekt wird Lithium Plating genannt. Metallisches Lithium, das sich an der Anode von Lithium-Ionen-Akkus abscheidet, gilt derzeit als wichtigster limitierender Faktor für den Ladestrom.

Indirekter Nachweis führt nicht zum Ziel

Obwohl in Grundzügen bekannt, gibt das Phänomen noch viele Rätsel auf. Denn wie und unter welchen Umständen Lithium Plating einsetzt, ließ sich bis jetzt nicht direkt beobachten. Selbst hoch entwickelte Verfahren wie die Neutronenstreuung erlauben bislang nur indirekte Analysen. Zudem ist die verfügbare Messzeit an Forschungsreaktoren oder großen Teilchenbeschleunigern knapp. Sie sind damit eher für grundlegende Untersuchungen als für langwierige praxisnahe Versuchsreihen geeignet.

Neues Verfahren zeigt Grenze für Ladestrom direkt auf

Das nun in der renommierten Fachzeitschrift Materials Today vorgestellte Elektronenspinresonanz-Spektroskopie-Verfahren (ESR) lässt sich dagegen – bei moderaten Anschaffungskosten – gut in den Laboralltag integrieren. Die Methode funktioniert ähnlich wie die bekanntere Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie, zielt aber nicht auf den Kern-, sondern den Elektronenspin ab.

„Mit diesem Verfahren wird es nun erstmals möglich, Lithium Plating und die damit verbunden Prozesse differenziert zu untersuchen, was für eine Reihe von Anwendungen relevant ist“, erläutert Rüdiger-A. Eichel, Direktor am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). „Ein Beispiel ist die Entwicklung von sicheren und gleichzeitig schnellen Ladeprotokollen. Mit unserem Verfahren lässt sich jetzt der maximale Ladestrom bis zum Einsetzen des Lithium Plating bestimmen sowie weitere Randbedingungen wie die Temperatur und Einfluss der Elektrodengeometrie ermitteln.“

Darüber hinaus eignet sich Methode als Testverfahren für unterschiedliche Batteriematerialien, etwa zur Entwicklung neuer Additive, mit denen sich der Effekt des Lithium Plating unterdrücken lässt.

Quelle: IWR Online

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