Wissenschaftler enthüllen: Lithium-Verlust gefährdet die Batterie-Lebensdauer!
Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) steht im Mittelpunkt aktueller Forschungsarbeiten, die auf die Herausforderungen und Ursachen des Kapazitätsverlusts aufmerksam machen. Ein Team von Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum sowie des Helmholtz Instituts Ulm und des Karlsruhe Instituts für Technologie hat herausgefunden, dass Lithium während des Ladevorgangs im Stromkollektor verloren geht. Dies führt nicht nur zu einem spürbaren Kapazitätsverlust, sondern verkürzt auch die Lebensdauer dieser wichtigen Energiespeichertechnologie. Wie news.rub.de berichtet, wurde diese Hypothese mithilfe von Atomsondentomografie überprüft, die die Einbindung von Lithium-Ionen in den Kupferstromkollektor nachwies.
Die Forschung zeigt, dass der Lithium-Verlust mit der Anzahl der Ladezyklen zunimmt, was insbesondere bei neueren Batterietypen ein ernstzunehmendes Problem darstellt. Die Wissenschaftler betonen die Dringlichkeit, diese Mechanismen besser zu verstehen, um anodenfreie Batterien der Zukunft zu entwickeln, die effizienter und langlebiger sind. Die Ergebnisse dieser bedeutenden Studie wurden in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht.
Ursachen des Kapazitätsverlusts
Die Ursachen für den Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Batterien sind vielschichtig. Laut Informationen von large-battery.com sind vor allem interne chemische Veränderungen während des Alterungsprozesses sowie externe Einflussfaktoren verantwortlich. Zu den häufigsten Ursachen zählen das Wachstum der SEI-Schicht (Festelektrolyt-Zwischenschicht), Lithium-Plating – die Ablagerung von metallischem Lithium – und die Degradation der Elektroden. Letztere führt zur Zersetzung der aktiven Materialien und hat somit gravierende Auswirkungen auf die Leistung der Batterien.
Die SEI-Schicht spielt eine entscheidende Rolle, denn während der Lade- und Entladezyklen werden Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her bewegt. Wächst diese Schicht, werden einige der Ionen darin eingeschlossen und stehen nicht mehr für die Energiespeicherung zur Verfügung. Außerdem tragen hohe Temperaturen, Überladung und rasante Lade- sowie Entladeraten dazu bei, den Kapazitätsverlust zu beschleunigen. Regelmäßige Überwachung und ein gut durchdachtes Batteriemanagementsystem sind somit unerlässlich, um die Lebensdauer der Akkus zu verlängern.
Innovationen in der Batterieforschung
Die Entwicklungen im Bereich der Batterietechnologie gehen jedoch weiter. In Münster untersucht eine Forschungsgruppe des Frontier Research Laboratory von LG Energy Solutions die chemische Prä-Lithiierung von Siliziumanoden in LIB-Zellen. Silizium gilt als das „Material der nächsten Generation“ für negative Elektroden, da es eine höhere spezifische und volumetrische Kapazität als Graphit aufweist. Doch der Klügere gibt nach: Silizium unterliegt während der (De-)lithiierung starken Volumenänderungen von bis zu 280 %, was zu Zersetzungen und kontinuierlichen Lithium- und Kapazitätsverlusten führt.
Die chemische Prä-Lithiierung mittels Lithium-Aren-Komplex-Lösung (LAC) wird als eine vielversprechende Methode angesehen, um diese Probleme zu bekämpfen, indem sie den aktiven Lithiumverlust im Herstellungsprozess ausgleicht. Laut Informationen von uni-muenster.de kann eine gezielte Anpassung des Prä-Lithiierungsgrades, der Zeit und Temperatur die Zellperformance signifikant verbessern.
Die Herausforderungen bei der praktischen Anwendung dieser Methode sind jedoch nicht zu unterschätzen, denn Reaktivität und chemische Instabilität der Lösung, sowie die Zersetzung von Bindemitteln sind nach wie vor Hindernisse, die überwunden werden müssen. Die Ergebnisse der Studien wurden kürzlich im Fachmagazin Advanced Energy & Sustainability Research vorgestellt und könnten weitere Impulse für die Forschung im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien geben.