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. Da das Plating teils irreversibel ist, 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 insbesondere zwei Faktoren entscheidend: Zu schnelles Laden führt 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 liess sich schliessen, dass der mechanische Druck eine lokale Überladung erzeugt, die zu massivem Lithiumverlust führt und diesen Bereich zerstört. Somit verstärkt oder verzögert ein entsprechendes Zelldesign den Alterungsprozess. Solche mechanisch nicht ausgereiften Batterien sind für eine mögliche Zweitverwendung - beispielsweise als stationäre Energiespeicher - ungeeignet.
Um das Lithium-Plating zu verhindern, können beispielsweise Batteriezellen gebaut werden, deren Ableiter so angebracht wird, dass lokale Verspannungen bzw. 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.
Mehr Informationen zum Thema Batteriealterung liefert der frei zugängliche 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".
https://www.fraunhofer.dedr
Produkte,
03.03.2016
