Fatale Ablagerungen: Lithium-Ionen Akkus sind ziemlich robust, aber manchmal lässt ihre Leistung stark nach, im schlimmsten Fall sorgt ein Störeffekt sogar für eine Entzündung der Batterie. Grund dafür sind Ablagerungen von metallischem Lithium im Inneren. Wann diese entstehen und warum, haben deutsche Forscher jetzt herausgefunden – indem sie mit Hilfe von Neutronenstrahlen in die ladende Batterie hineinblickten.
Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks: Sie alle werden mithilfe von Lithium-Ionen-Akkus betrieben. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Energiedichte aus, sind aber trotzdem nicht zu schwer oder zu groß für die tragbaren Geräte. „Ein Lithium-Ionen-Akku kann das Drei- bis Vierfache an Energie speichern im Vergleich zu einem gleich großen Nickel-Cadmium-Akku“, erklärt Ralph Gilles von der Technischen Universität München (TUM). Auch Temperaturschwankungen und längere Lagerung stellen für die Lithium-Ionen-Batterien kein Problem dar.
Aufgrund dieser Vorteile gelten Lithium-Ionen-Akkus auch als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität. In nicht allzu ferner Zukunft sollen die Elektrofahrzeuge mit Kraftstoff-betankten Transportmitteln mithalten können – auch was die Reichweite betrifft. Dazu sind leistungsfähige, sichere und schnell aufladbare Akkus notwendig.
Ablagerung von Metall statt Ionen
Ein bereits bekanntes, aber bisher nicht im Detail untersuchtes Phänomen steht diesem Ziel im Weg: die Ablagerung von metallischem Lithium, das sogenannte Lithium-Plating. Dieses kann vorkommen, wenn einige Lithium-Ionen beim Laden zwar wie gewünscht zur aus Graphit bestehenden Anode wandern, sich dort aber in metallisches Lithium umwandeln. Dieses lagert sich auf der Anode ab und blockiert dadurch Teile ihrer Oberfläche. Die Leistungsfähigkeit der Batterie wird dadurch vermindert. In extremen Fällen kann es sogar zu einem Kurzschluss und einem Brand kommen.
Wie dieses Lithium-Plating jedoch im Einzelnen abläuft und was es auslöst, konnte man bisher jedoch nie genauer beobachten. Wird die Batterie geöffnet, kann immer nur eine Momentaufnahme des Zustands beobachtet werden, erklärt Gilles. Abhilfe schafften die Forscher nun mit Hilfe der Forschungs-Neutronenquelle der TU München. Dort bestrahlten sie Lithium-Ionen-Akkus beim Laden und Entladen mit Neutronenstrahlen. Weil dieser Strahl je nach Element und Zustand unterschiedlich stark gebeugt wird, lässt sich damit feststellen, wie viel metallisches Lithium sich gerade bildet.
Schnelles Laden verstärkt das Problem
Die Messungen ergaben: Je schneller der Ladevorgang des Akkus abläuft, desto mehr metallisches Lithium wird gebildet. Bis zu 19 Prozent der normalerweise am Lade- und Entladeprozess beteiligten Lithium-Ionen liegen dann als metallisches Lithium vor, wie die Forscher berichten. 20 Stunden nach einem schnellen Ladevorgang hat zwar ein Teil des metallischen Lithiums wieder mit dem Graphit und sich zu Lithium-Ionen zurückverwandelt. Aber nur ein Teil des Lithium-Platings ist auf diese Weise reversibel. Ebenfalls ungünstig scheinen zudem niedrige Temperaturen zu sein, auch sie begünstigen die Bildung von metallischem Lithium.
Was dies nun konkret für Ladegeräte der Zukunft heißt, wollen die Forscher in weiteren Experimenten herausfinden. 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. (Journal of Power Sources, 2014; doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.07.168)
(Technische Universität München, 03.09.2014 – NPO)
