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18-02-2021 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Im Fokus | Article

Wie Lithium in der Batterie außer Gefecht gesetzt wird

Author:
Dieter Beste
4:30 min reading time

Warum reduziert sich mit der Zeit die verfügbare Kapazität von Lithiumionen-Batterien? Wie ist das Lithium im Akku verteilt? Mit der zerstörungsfreien Neutronenstreuung konnten Wissenschaftler jetzt die Abläufe in Lithiumionen-Zellen analysieren.

Ob in Handy, Laptop oder Elektroauto, in Herzschrittmachern oder Uhren – Lithiumionenbatterien sind heute Energiespender der Wahl. Sie punkten mit einer zurzeit unübertroffene Energie- und Leistungsdichte, Zellspannungen über 3 V, flache Strom-Spannungs-Kurven, vernachlässigbare Selbstentladung und ein breites Temperaturfenster von minus 40 ◦C bis plus 80 ◦C, zählt Peter Kurzweil in "Angewandte Elektrochemie" die Vorzüge der Lithiumionen-Technik auf. Aber "Lithiumionenbatterien altern schleichend beim Lagern, Überladen und Tiefentladen. Der Innenwiderstand und Innendruck der Zelle steigt, wenn sich erstens der elektrische Kontakt zwischen den Partikeln der aktiven Masse und dem Stromableiter verschlechtert und zweitens der Elektrolyt unter Gasentwicklung zersetzt wird" (Seite 145).

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Auch Lithiumionenbatterien verlieren im Laufe der Zeit an Kapazität. Nun entsteht bei Lithiumionen-Zellen ein Stromfluss dadurch, dass ein Lithiumatom ein Elektron abgibt und dieses Elektron durch das angeschlossene Gerät fließt. Innerhalb der Zelle wandert gleichzeitig ein Lithium-Ion von einer Elektrode zur anderen. Es stehen also immer nur so viele Elektronen wie Lithium-Ionen zur Verfügung. Verliert der Akku an Kapazität, so ist dies so, also ob Lithium "verloren" ginge. Doch wohin verschwindet es?

Die Prozesse im Inneren einer Lithiumionen-Zelle, wie beispielsweise ein sich zersetzender Elektrolyt oder die Verteilung des Lithiums, die während des Auf- und Entladens ablaufen, lassen sich außerhalb der Zelle aufgrund der hohen Reaktivität der Zellbestandteile gegenüber Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit nur schwer beobachten. Um dennoch dem Geschehen in der Zelle auf die Spur zu kommen, untersuchte jetzt ein Forscherteam den Aufbau und die Funktionsweise dieses Akku-Typs an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU München mit Neutronen. Es nutzte die Neutronenstreuung, also die Beugung von Neutronenstrahlung durch Materie als Werkzeug, um in die Abläufe im Inneren der zylindrischen Lithiumionen-Akkus einzutauchen.

Warum sinkt die Kapazität?

In der Praxis helfen Modelle, um mit Alterungserscheinungen wie dem Kapazitätsverlust von Lithiumionen-Batterien umzugehen. So berichten etwa Franz Langmayr und Ulrich Penitz in der Fachzeitschrift ATZelektronik, Ausgabe 12/2020 über eine modellbasierte Validierung von Lithium-Ionen-Batterien für den Fahrzeugeinsatz. In solchen Modellberechnungen wird bisher meist von einer gleichmäßigen Verteilung des Lithiums ausgegangen. Die Untersuchungen in Garching ergaben nun jedoch, dass das Lithium von Anfang an sehr ungleich verteilt ist und die Inhomogenität mit der Zeit sogar noch steigt. Über ihre Forschungsergebnisse berichteten die Wissenschaftler kürzlich in den Fachzeitschriften "Journal of Power Sources" und "Chemistry Europe". An der Publikation waren neben den Wissenschaftlern des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums und des Physik-Departments der TU München auch Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie, des Ames Laboratory der Iowa State University (USA), und des Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) beteiligt.

In den Neutronenstreuexperimenten zeigte sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Verlust von beweglichen Lithiumionen und der Zersetzung des Elektrolyten, die beispielsweise beim Laden als ungewollte Nebenreaktion stattfindet. Die dabei entstehenden Zersetzungsprodukte des Elektrolyten lagern Lithiumatome ein, welche dann nicht mehr als bewegliches Lithium zur Verfügung stehen, um zwischen den beiden Elektroden ausgetauscht zu werden, so die Wissenschaftler. Der Akku verliert an Kapazität: er altert. Ihre Forschungsergebnisse seien eine wichtige Basis, um zukünftige Akkus effizienter, langlebiger und leistungsstärker zu machen, sind die Wissenschaftler überzeugt. Die Modellierung von Lithiumionen-Zellen könne deutlich verbessert werden, wenn Entwickler die ungleiche Lithium-Verteilung berücksichtigten. Basierend auf der Verteilung des Lithiums könnten zudem Aussagen über die Speicherfähigkeit der Lithiumionen-Zelle getroffen werden. 

Aufwendige Untersuchungsmethode

Neutronen sind ein äußerst scharfes Werkzeug in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und Materialanalyse:

"Im Gegensatz zur Röntgenbeugung, die vor allem an den Elektronenhüllen abläuft, reagiert die Neutronenbeugung in erster Linie auf die Atomkerne der Probe" ("Physik für Chemiker II", Seite 139).

Neutronen können deshalb zwischen verschiedenen Isotopen unterscheiden. Und da sie besonders empfindlich gegenüber leichten Elementen sind, können sie etwa Wasserstoff abbilden oder Lithium auch im Inneren einer Zelle sichtbar machen. Nur so konnte es gelingen, die Vorgänge in der Batterie von außen zu beobachten, ohne in das empfindliche System einzugreifen. 

Neutronen für die Forschung

Um Neutronen zu erzeugen, gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten. "Die erste beruht auf der induzierten oder spontanen Kernspaltung schwerer Atomkerne. Die Neutronen werden dabei aus den Spaltfragmenten freigesetzt, die den bei der Spaltung bestehenden hohen Neutronenüberschuss durch prompte Neutronenemission mindern. Die zweite Methode zur Erzeugung freier Neutronen beruht auf Kernreaktionen mit geladenen Teilchen oder Photonen als Projektilen", erklärt Hanno Krieger in "Strahlungsquellen für Technik und Medizin" (Seite 352). Wegen der hohen Bedeutung der Neutronenstrahlung für die Grundlagenforschung, Materialbearbeitung und Medizin wurden einige Kernreaktoren überwiegend für Forschungszwecke und zur Erzeugung von Neutronenstrahlung errichtet. Ein hiesiges Beispiel ist der als Nachfolger des "Atomeis" neu errichtete Forschungsreaktor FRM II in Garching bei München. Der vor allem als Neutronenquelle dienende Hochflussreaktor in Grenoble in Frankreich (ILL) erzeugt weltweit die höchsten Neutronenflussdichten.


 

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