Tobias Bach, Projektleiter von "ABattReLife" des Fraunhofer ISC, zeigt einen Batteriezyklisierer mit angeschlossenen Temperaturkammern, in denen verschiedene Batterietypen gezielt gealtert und untersucht wurden.
L. Hirnickel / Fraunhofer ISC
Das Zentrum für Angewandte Elektrochemie ZfAE, Teil des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Würzburg, hat im EU-Projekt ABattReLife drei Jahre lang die Ursachen für Batteriealterung untersucht. Dafür standen dem Zentrum Altbatterien aus Elektroautos zur Verfügung, die getestet und analysiert wurden. Das Ergebnis: Leistungsintensive Schnellladungen und mechanischer Druck lassen Batterien schneller altern.
Die meisten Batterien zeigen ab einer Restkapazität von 80 Prozent eine Änderung ihres Verhaltens: Ihre Leistungskurve erfährt einen deutlichen Knick und die nichtlineare, rapide Alterung beginnt. Um die Gründe für diesen Alterungsprozess herauszufinden, untersuchte das Zentrum für Angewandte Elektrochemie im Projekt ABattReLife Altbatterien aus der ersten Elektrofahrzeuggeneration und mit eigens gefertigten Laborzellen gleicher Bauweise verglichen. Sowohl die gebrauchten Batterien als auch die laborgefertigten Zellen - die einer kontrollierten, schnellen Alterung unterzogen wurden - durchliefen verschiedene mechanische, thermische und chemische Tests, deren Ergebnisse das ZfAE anschließend für die Analysen der Zellveränderungen nutzte. Um eine ortsaufgelöste Untersuchung zu ermöglichen, wurden die kleinen Laborzellen aus verschiedenen Teilen der Elektroden gebaut.
Ursachen des Lithium-Platings
Die Wissenschaftler stellten fest, dass kurz vor dem Leistungsknick kleine Bereiche der Kathode starke Beeinträchtigungen in Form eines metallischen Lithiumschleiers - das sogenannte Lithium-Plating - aufwiesen. Während die positive Elektrode kaum Veränderungen zeigte, war die negative Graphitelektrode durch Mikrorisse, Ablagerungen und das Lithium-Plating beeinträchtigt, erklären die Wissenschaftler. Da das Plating teils irreversibel sei, griff der Vorgang im weiteren Verlauf auf benachbarte Bereiche über und die Batterie erreichte ihr Lebensende.
Für das Abscheiden von Lithium an der Kathode und den damit verbundenen Leistungsknick sind laut den Forschern insbesondere zwei Faktoren entscheidend: Zu schnelles Laden führe zur Abscheidung von Lithium-Metall, sodass für weitere Ladezyklen immer weniger Lithium zur Verfügung steht. Zum Zweiten konnten die Wissenschaftler des Fraunhofer ISC mittels Computertomographie außerdem feststellen, dass die anfänglich betroffenen Bereiche durch einen Ableiter stärker komprimiert wurden als der Rest der Batterie. Daraus ließe sich schließen, dass der mechanische Druck eine lokale Überladung erzeugt, die zu massivem Lithiumverlust führt und diesen Bereich zerstört. Somit verstärke oder verzögere ein entsprechendes Zelldesign den Alterungsprozess, betonen die Forscher. Solche mechanisch nicht ausgereiften Batterien seien für eine mögliche Zweitverwendung - beispielsweise als stationäre Energiespeicher - ungeeignet.
Konstruktive Maßnahmen
Um das Lithium-Plating zu verhindern, könnten beispielsweise Batteriezellen gebaut werden, deren Ableiter so angebracht wird, dass lokale Verspannungen beziehungsweise Druckspitzen vermieden werden können. Da auch zu hohe Laderaten, zu hohe Entladetiefen und zu niedrige Temperaturen den Alterungsvorgang beschleunigen, sollte darüber hinaus der Ladevorgang genau gesteuert werden, sodass Ladetemperatur, -geschwindigkeit und -spannung kontrolliert ablaufen.
Neben der Durchführung von Analysen und Tests zu bestimmten Batterietypen forscht das ZfAE an neuen Materialien und Zellkomponenten für leistungsfähigere und langlebigere Batterien. Dazu gehören funktionelle Schutzbeschichtungen für moderne Elektrodenmaterialien und Materialien für zukünftige Festkörperbatterien aus organisch-anorganischen Hybridpolymeren bis hin zu reinen Glaskeramiken, die eine hohe chemische Stabilität und damit eine längere Haltbarkeit gewährleisten sollen.
Analyseergebnisse im Detail
Mehr Informationen zum Thema Batteriealterung liefert der Artikel "Nonlinear aging of cylindrical lithium-ion cells linked to heterogeneous compression" (Tobias Bach, Simon Schuster, Elena Fleder, Jana Müller, Martin J. Brand, Henning Lorrmann, Andreas Jossen und Gerhard Sextl) in "Journal of Energy Storage".