Elektromobilität Lebensdauer von Batterien: Alterungsmechanismen besser verstehen

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch komplexe Alterungsprozesse begrenzt, deren Ursachen oft schwer voneinander zu unterscheiden sind. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung konnte nun zeigen, dass die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in den Zellen direkt mit den Degradationsprozessen zusammenhängt. Das hilft, Alterungsmechanismen besser zu verstehen und Batterien gezielter zu optimieren.

Lithium-Ionen-Batterien sind nicht nur eine Schlüsseltechnologie für die Energie- und Mobilitätswende, sondern auch die teuerste Komponente im Stromer. Hier werden zwar kontinuierlich Fortschritte bei Leistung und Lebensdauer erzielt – aber ein zentrales Problem blieb bisher ungelöst: Mit jedem Lade- und Entladezyklus altern Zellen. Ihre Kapazität sinkt und die Leistungsfähigkeit nimmt ab.

Verantwortlich dafür sind mehrere komplexe Prozesse im Inneren der Batterie. Bislang ist die Herausforderung ungelöst, diese Alterungsmechanismen eindeutig zu identifizieren und sie voneinander zu unterscheiden. Herkömmliche Diagnoseverfahren zeigen zwar, dass eine Batterie altert, liefern jedoch häufig nur begrenzte Informationen darüber, wann, wo und durch welchen Mechanismus die Degradation ausgelöst wird.

Lithium-Isotopen als Diagnosewerkzeug

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat einen neuen Ansatz entwickelt: Die Forschenden nutzen die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in einer Zelle als Diagnosewerkzeug für Alterungsprozesse. Ihre charakteristischen Spuren und Muster liefern einen Fingerabdruck der zugrunde liegenden Degradationsmechanismen.

Die Methode macht sich zunutze, dass natürliches Lithium aus den beiden Isotopen Lithium-6 und dem geringfügig schwereren Lithium-7 besteht. Dabei handelt es sich um Varianten desselben chemischen Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen. In neuen Batterien sind beide Lithium-Isotope so verteilt wie in allen natürlichen Vorkommen des Alkalimetalls auch, d.h. in einem Verhältnis von 2,4 zu 97,6 Prozent.

Hochauflösende Form der Massenspektrometrie

Im Detail wurde eine Lithium-Batterie mit einer Kathode aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und einer Graphitanode untersucht. Schon nach den ersten Ladezyklen sammelte sich Lithium-6 bevorzugt an der Anode. Nach weiteren 280 Zyklen verstärkte sich dieser Effekt, während die Kathode deutlich erhöhte Lithium-7-Gehalte aufwies. Gleichzeitig sank die Kapazität der Zellen.

Möglich wurde der Nachweis durch eine hochauflösende Form der Massenspektrometrie, mit der sich die Verteilung der Lithiumisotope schichtweise über die gesamte Tiefe der Elektroden hinweg bestimmen ließ. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit Nu Instruments in Großbritannien und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden.

Für die BAM liegt die Bedeutung der Ergebnisse vor allem in ihren Anwendungsmöglichkeiten für präzise Messungen: Anstatt Alterung lediglich am Kapazitätsverlust zu erkennen, könnte sie künftig deutlich früher anhand der Spuren, die Lithium-Isotope in der Batteriezelle hinterlassen, verfolgt werden. Das ermöglicht ein präziseres Verständnis der Alterungsmechanismen und ist letztlich entscheidend, um Batterien gezielter zu verbessern und ihre Lebensdauer genauer vorherzusagen.  (se)

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