Energiespeicher: Forscher beobachten erstmals schädlichen "Lithium-Plating"-Prozess

München – Mobiltelefone, Digitalkameras, Notebooks: Sie alle werden mithilfe von Lithium-Ionen-Akkus betrieben. Um den Mechanismus des kompakten und leichten Energiespeichers aufzudecken und zu verbessern, ist es Forschern der Technischen Universität München (TUM) mithilfe von Neutronenstrahlen nun gelungen, einen Blick in das Innere der Batterie zu werfen - mit neuen Erkenntnissen für die Wissenschaft.

Ein Phänomen behindert derzeit noch einen schnelleren Siegeszug der Lithium-Ionen-Akkus: Es handelt sich die Ablagerung von metallischem Lithium und vermindert die Leistungsfähigkeit der Batterie deutlich. In extremen Fällen kann dieses sogenannte "Lithium-Plating" sogar zu einem Kurzschluss führen, teilten die Wissenschaftler mit.

Lithium-Ionen-Batterie auch für Elektromobilität

Für eine erfolgreiche Energiewende ist nicht nur der Ausbau der regenerativen Energien notwendig, sondern auch ein effektives Speichersystem erforderlich. Besonders Lithium-Ionen-Batterien gelten als Energiespeicher der Zukunft und sollen auch für die Elektromobilität eine zentrale Rolle übernehmen. Sie haben die Fähigkeit, viel Energie zu speichern, sind aber vergleichsweise kompakt und leicht, weshalb sie sich auch hervorragend für tragbare Geräte eignen. Temperaturschwankungen und längere Lagerung stellen für die Lithium-Ionen-Batterien kein Problem dar.

"Ein Lithium-Ionen-Akku kann das Drei- bis Vierfache an Energie speichern im Vergleich zu einem gleich großen Nickel-Cadmium-Akku", erklärt Dr. Ralph Gilles, Wissenschaftler an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Meier-Leibnitz (FRM II) der TUM.

Phänomen "Lithium-Plating" erstmals beobachtet

Problematisch wird es allerdings dann, wenn sich beim Laden der Batterie metallisches Lithium bildet und ablagert. Dadurch wird die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Akkus verringert und es kann sogar zu einem Kurzschluss kommen. Mithilfe von Neutronenstrahlen ist Wissenschaftlern der TUM nun ein Durchbruch in der Batterieforschung gelungen: Bisher war es nicht möglich, den Mechanismus des Lithium-Platings genau zu beobachten. Wird die Batterie geöffnet, kann immer nur eine Momentaufnahme des Zustands beobachtet werden, erklärt Gilles. Allerdings ändert sich die Menge des metallischen Lithiums laufend. Mithilfe von Neutronenstrahlen konnten die Wissenschaftler Dr. Veronika Zinth von der Forschungs-Neutronenquelle FRMII und Christian von Lüders vom Lehrstuhl für Elektronische Energiespeichertechnik die Prozesse in der Batterie live beobachten, ohne diese aufzuschneiden. So konnte indirekt anhand von Signalen ermittelt werden, wie viel metallisches Lithium sich gebildet hat.

Erste Ergebnisse veröffentlicht

Die Messungen ergaben bereits jetzt erste Ergebnisse. Das Team um Dr. Gilles konnte beispielsweise ermitteln, dass, je schneller der Ladevorgang von statten geht, umso mehr metallisches Lithium gebildet wird. Bis zu 19 Prozent der normalerweise am Lade- und Entladeprozess beteiligten Lithium-Ionen liegen dabei als metallisches Lithium vor. Des Weiteren begünstigen tiefe Temperaturen die Bildung von metallischem Lithium. Die Wissenschaftler planen aktuell weitere Experimente, die den Mechanismus des Lithium-Platings noch detaillierter aufklären sollen. Diese Ergebnisse könnten dabei helfen, herauszufinden, wie sich das Phänomen so gut wie möglich vermeiden lässt. Hierzu gehört auch die Beantwortung der Frage, wie schnell geladen werden kann, bevor Lithium-Plating einsetzt.

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