Deutsch-amerikanisches Forscherteam: Lithium im Akku ungleich verteilt

Ein deutsch-amerikanisches Forschungsteam hat die elektrochemischen Prozesse in Lithium-Ionen-Batterien genauer untersucht. Dabei haben die Forschenden unter anderem entdeckt, dass das Lithium in den Batteriezellen nicht gleichmäßig verteilt ist – mit dieser Erkenntnis soll die Modellierung von Batteriezellen verbessert werden.

Untersuchungen eines deutsch-amerikanischen Forschungsteams zeigen nun, dass Zersetzungsprodukte der Elektrolytflüssigkeit das bewegliche Lithium im Akku abfangen und dass Lithium in der Zelle überraschend ungleich verteilt ist.

Besonders letzteres ist eine wichtige Erkenntnis, da in theoretischen Modellen, Berechnungen oder Messungen bisher meist von einer gleichmäßigen Verteilung des Lithiums ausgegangen wurde. Die Untersuchungen, die in Deutschland unter anderem an der TU München durchgeführt wurden, ergaben jedoch, dass das Lithium von Anfang an sehr ungleich verteilt ist und die Inhomogenität mit der Zeit sogar noch steigt.

Zu dieser Erkenntnis kamen die Forschenden mit einer neuen Messtechnik, der Neutronenbeugung. Mit der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM konnten die Forschenden die Vorgänge im Inneren der Zelle sichtbar machen, ohne direkt in das empfindliche System der Batteriezelle einzugreifen. Die Abläufe im Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle, wie beispielsweise ein sich zersetzender Elektrolyt oder die Verteilung des Lithiums, die während des Auf- und Entladens ablaufen, lassen sich laut der Mitteilung außerhalb der Zelle aufgrund der hohen Reaktivität der Zellbestandteile gegenüber Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit nur schwer beobachten.

Für ihre Messungen haben die Forschenden eine Rundzelle genauer „durchleuchtet“ – im Neuzustand und nach 600 Zyklen. Bereits im Neuzustand zeigte sich, dass die Lithium-Ionen als auch die Elektrolyt-Konzentration nicht nur radial, sondern auch entlang der Länge der Zelle ungleich verteilt sind. Nach den 600 Zyklen bleibt die Verteilung ungleichmäßig, auch wenn sich die Konzentration (in einigen Hotspots lokal sogar sehr stark) ändert.

Mit dieser Erkenntnis können nun die Modellierung von Li-Ion-Zellen „deutlich verbessert“ werden, so die TUM. „Basierend auf der Verteilung des Lithiums können zudem Aussagen über die Speicherfähigkeit der Lithium-Ionen-Zelle getroffen werden“, heißt es in der Mitteilung. „Diese Ergebnisse sind eine wichtige Basis, um zukünftige Akkus effizienter, langlebiger und leistungsstärker zu machen.“

Hinsichtlich des Kapazitätsverlusts haben die Neutronen-Experimente ergeben, dass ein linearer Zusammenhang zwischen dem Verlust von beweglichen Lithium-Ionen und der Zersetzung des Elektrolyten besteht. Der Elektrolyt kann sich als ungewollte Nebenreaktion zersetzen. Die Zersetzungsprodukte lagern Lithium-Atome ein, welche dann nicht mehr als bewegliches Lithium zur Verfügung stehen.

Die Arbeit wurde durch das Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bayern-Kalifornien Technologie Zentrum (BaCaTeC), sowie dem U.S. Department of Energy gefördert.
tum.de