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07.12.2015 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

TUM ist dem Alterungsprozess in Lithium-Ionen-Akkus auf der Spur

Autor:
Angelina Hofacker

Die Alterung von Lithium-Ionen-Akkus mindert die erzielbare Speicherkapazität, das ist bekannt. An den Ursachen dafür forschen Wissenschaft und Industrie aber noch. Forscher der Technischen Universität München (TUM) sind der Aufklärung nun durch ihre neuesten Experimente ein Stück näher gekommen.

Einen ersten starken Kapazitätsverlust erleidet ein Akku mit Graphit-Anode bereits beim ersten Ladezyklus der Zelle, dem Formierungsschritt, erläutern die Forscher des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie und der Forschungs-Neutronenquelle (FRM II). Hier verliert er bis zu 10 Prozent seiner Kapazität. Bei jedem weiteren Lade- und Entladevorgang sinkt den Wissenschaftlern zufolge die Kapazität weiter, wenn auch nur geringfügig. Auch bei bloßer Lagerung, vor allem bei Temperaturen über der Raumtemperatur, geht weitere Kapazität verloren. Wie die TUM-Wissenschaftler wissen, hat die Physik für diese Alterungseffekte zwar mehrere Ideen, aber noch keine endgültige Erklärung gefunden.

Messmethoden zur Analyse der Alterungsprozesse

Um den Alterungsmechanismus zu verstehen und die Gründe dafür herauszufinden, kombinierten die Wissenschaftler des FRM II elektrochemische Untersuchungen mit unterschiedlichen Messmethoden wie Röntgenstreuung, Impedanzmessungen und die Prompte-Gamma-Aktivierungsanalyse (PGAA). Mit diesen analysierten sie das Verhalten von Akkus mit Graphit-Anode und Nickel-Mangan-Cobalt-Kathode, sogenannte NMC-Zellen, bei verschiedenen Temperaturen. NMC-Zellen sind beliebt in der Elektromobilität, so die Forscher, denn sie besitzen eine hohe Kapazität und halten theoretisch Ladespannungen von bis zu knapp fünf Volt aus. Bei Spannungen über 4,4 Volt nimmt jedoch die Alterung stark zu.

Mit Hilfe der Röntgenstreuung untersuchten die Wissenschaftler den Verlust an aktivem Lithium über mehrere Ladezyklen. Impedanzmessungen der Akkuzellen dienten dazu, den zunehmenden Widerstand zu erfassen. Die Aktivierungsanalyse mit Neutronen schließlich half den Forschern zufolge, die extrem geringen Mengen an abgeschiedenem Übergangsmetall auf den Graphitelektroden sicher zu bestimmen.

Ursachen für den Kapazitätsverlust

Die Ursache für den deutlichen Kapazitätsverlust beim Formierungsschritt ist laut den Erkenntnissen der Forscher der Aufbau einer Passivierungsschicht an der Anode. Diese verbrauche aktives Lithium, schütze jedoch danach den Elektrolyten vor Zersetzung an der Anode. Für den Kapazitätsverlust bei laufendem Betrieb fand die Forschergruppe zwei wesentliche Mechanismen: Das aktive Lithium in der Zelle werde durch verschiedene Nebenreaktionen nach und nach verbraucht und stehe damit nicht mehr zur Verfügung. Der Prozess ist laut den Wissenschaftlern stark temperaturabhängig: Bei 25 Grad Celsius sei die Wirkung noch relativ gering und werde bei 60 Grad Celsius recht hoch. Beim Laden und Entladen der Zellen bei erhöhter Ladespannung (4,6 Volt) komme es hingegen zu einem starken Anwachsen des Zellwiderstands. Die auf der Anode abgeschiedenen Übergangsmetalle erhöhen nach den Forschern die Leitfähigkeit der Passivierungsschicht für Elektronen und sollen damit zu verstärkter Zersetzung des Elektrolyten führen.

Laut den TUM-Wissenschaftlern haben die Batteriehersteller nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum bereits gute Verhältnisse von Elektrodenmaterial und Lithiummenge gefunden. "Mit den von uns gewonnenen Erkenntnissen lassen sich nun die Einzelprozesse gezielt weiter verbessern“, sagt Irmgard Buchberger, Doktorandin am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TU München. Möglich seien hier beispielsweise Additive, mit denen der Aufbau der Passivierungsschicht verbessert werden könne oder Modifikationen der Kathodenoberfläche.

Die Arbeiten wurden unterstützt mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts ExZellTUM. Die Prompte-Gamma-Aktivierungsanalyse wurde in Kooperation mit dem Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) am Instrument PGAA der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der Technischen Universität München durchgeführt.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

01.01.2013 | MTZ Wissen | Ausgabe 1/2013

8. Batterietechnik Lithium-Ionen-Batterien

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