Neue Studie: Auf dem Weg zur Super-Lithium-Batterie?

So intensiv wie nie zuvor haben Forschende Lithium-Batterien während der Be- und Entladung untersucht. Die Erkenntnisse können Herstellern helfen, ihre Batterien in vielfältiger Weise zu optimieren.

Wird die Lithium-Batterie eines Elektroautos aufgeladen, lassen sich während des Ladevorgangs ganz unterschiedliche Geschwindigkeiten beobachten. Am Anfang steigt die Ladeanzeige schnell, zum Schluss hingegen immer langsamer. „Das ist wie beim Einräumen eines Schranks: Am Anfang ist es einfach, Gegenstände in die Fächer zu stellen. Aber je voller der Schrank wird, desto mehr muss man sich anstrengen, einen freien Platz zu finden.“

So anschaulich erklärt Dr. Anatoly Senyshyn von der Technischen Universität München (TUM) die komplexen physikalischen und chemischen Vorgänge, die beim Laden einer großen Lithium-Batterie ablaufen. Sein Team in der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM hat die supergenauen Messungen geleitet, mit denen ein bundesweites Forschungskonsortium den Gesamtablauf des Ladevorgangs untersucht hat - und speziell die Verteilung des Lithiums.

Verteilung der Lithium-Ionen entscheidend für die Ladezeit

Wie die innere Struktur einer Lithium-Batterie vor und nach dem Laden aussieht, ist schon seit geraumer Zeit bekannt. Die genaue Lithium-Verteilung in einer Batterie während des kompletten Lade- und Entladeprozesses mittels hochpräziser Messinstrumente dagegen hat ein Konsortium aus Forscherinnen und Forschern in Deutschland und Frankreich erstmals im Detail untersucht. In ihrer Studie zu „Verteilung und Transfer von Lithium in Hochleistungs Li-Ion-Batterien“ haben sie dazu Erkenntnisse gewonnen, die auf die Leistungsfähigkeit, die Ladezeiten und die Sicherheit künftiger Lithium-Batteriegenerationen einen erheblichen Einfluss nehmen dürften.

Beim Laden nämlich wandern die Lithium-Ionen von der positiv geladenen Anode zur negativ geladenen Kathode, beim Entladen in die umgekehrte Richtung. In ihren Hochpräzisions-Untersuchungen konnten die Forschenden beobachten, dass sich die Verteilung des Lithiums beim Laden und Entladen ständig verändert. „Ist das Lithium ungleich verteilt, funktioniert in den Bereichen der Batterie, in denen zu viel oder zu wenig Lithium vorhanden ist, der Austausch von Lithium zwischen Anode und Kathode nicht mehr zu hundert Prozent. Eine gleichmäßige Verteilung steigert dagegen die Leistungsfähigkeit“, erklärt TUM-Forscher Senyshyn.

Den Forschenden gelang es, die ungleiche Verteilung von Lithium in einer Batterie mit sehr hoher Auflösung festzuhalten: Um die gesamte Batterie zu erfassen, untersuchten sie ein winziges Teilvolumen nach dem anderen und setzten diese Einzelmessungen dann zu einem großen Bild zusammen.

Mithilfe von des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft und der European Synchrotron Radiation Facility ESRF war es möglich, Teilvolumina mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu wählen. Dadurch erkannten die Forschenden, dass nicht nur entlang der Elektrodenschichten, sondern auch senkrecht zu den Schichten das Lithium ungleich verteilt ist.

Schnell laden versus Reichweite

Die beobachteten Effekte könnten langfristig dabei helfen, große Lithium-Akkus für Elektroautos, aber auch für andere industrielle Anwendungen entscheidend weiterzuentwickeln, glaubt Anatoliy Senyshyn: „Viele Eigenschaften der Batterien lassen sich durch die optimierte Verteilung des Lithiums beeinflussen. Je besser wir diese Vorgänge in neuen Akku-Generationen unter Kontrolle bekommen, desto mehr können wir die Performance von Batterien in Zukunft verbessern.“

Besonders stark betroffen dürften wesentliche Leistungsmerkmale der Batterien sein - wie etwa die Länge der Ladezeiten und die Reichweite der Autos bei gleichbleibendem Materialeinsatz. Aber auch die Sicherheit der Akkus und ihre Lebensdauer, so die Erkenntnis der Studie, sind von einer ausgeglichenen Verteilung des Lithiums in der Batterie in hohem Maß abhängig.  

Mitwirkende an der Studie: An der Publikation waren neben den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums an der TUM und des TUM Physik-Departments auch Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie, der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrum Hereon beteiligt. Die Messungen wurden durchgeführt an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz der Technischen Universität München, der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (Frankreich) und am Deutschen Elektronen Synchrotron in Hamburg.

Aufmacherfoto: Am Pulver-Diffraktometer SPODI bereitet TUM-Forschungsleiter Anatoly Senyshyn eine Messung zur Materialverteilung in einer Lithium-Batterie vor.