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Elektromobilität Ruhr-Universität Bochum erforscht Kapazitätsverlust von Lithium-Batterien

Von Stefanie Eckardt 2 min Lesedauer

Wenn Lithium-Batterien unter Kapazitätsverlust leiden, verkürzt das ihre Lebensdauer. Jüngste Forschungsarbeiten führten zu der Vermutung, dass während des Ladevorgangs Lithium an den Stromkollektor verloren geht. Nun haben die Ruhr-Universität Bochum, das Helmholtz Institut Ulm und das Karlsruher Institut für Technologie diese Hypothese geprüft.

Batterien verlieren Lithium an den Stromkollektor - das ergaben Untersuchungen der Ruhr Universität Bochum, des KIT und des Helmholtz Instituts Ulm mit Atomsondentomografie.(Bild: Tong Li)
Batterien verlieren Lithium an den Stromkollektor - das ergaben Untersuchungen der Ruhr Universität Bochum, des KIT und des Helmholtz Instituts Ulm mit Atomsondentomografie.
(Bild: Tong Li)

Mittels Atomsondentomografie konnten die Forschungspartner nachweisen, dass Lithium-Ionen tatsächlich in den Kupferstromkollektor eingebunden werden. Dieser Verlust nimmt mit der Anzahl an Ladezyklen zu, auch bei hochmodernen Batterietypen. „Diese Vorgänge zu verstehen, ist von großer Bedeutung für anodenfreie Batterien der Zukunft“, betont Prof. Dr. Tong Li, Forschungsleiter an der Ruhr-Universität Bochum.

Der Kupferstromkollektor ist eine dünne Kupferfolie, die als Trägerschicht für die Anode der Batterie dient und Elektronen sammelt, um sie zum Minuspol zu leiten. Bei Lithium-Metall-Batterien kann Lithium während des Lade- und Entladezyklus in den Kupferstromkollektor diffundieren. „Wo genau sich die Lithium-Ionen einlagern, war bislang aber unklar“, erklärt Tong Li. „Lithium in Kupfer ist schwer nachzuweisen, da es an analytischen Möglichkeiten mangelt, hochaktives und leichtes Lithium nachzuverfolgen.“

Atomsondentomografie für präzise 3D-Karten beliebiger Elemente

Das Forschungsteam setzte die Atomsondentomografie ein, die es erlaubt, präzise dreidimensionale Karten beliebiger Elemente mit einer Auflösung im Subnanometerbereich zu erstellen. Es zeigte sich, dass Lithium bereits nach einem Lade-/Entladungszyklus zunächst an Korngrenzen und Grenzflächen der Kupferfolie eingebunden wird. Nach drei Zyklen wird die Oberfläche der Kupferfolie nanokristallin und oxidiert. Die dadurch entstehenden Defekte binden Lithium und Sauerstoff unterhalb der Oberfläche weiter ein, was zu einer Zersetzung des Kupferstromkollektors führt. „All diese Informationen sind wichtig, um zu verstehen, wie der Stromkollektor die Leistung von Lithium-Batterien der Zukunft beeinflusst“, unterstreicht Tong Li. Denn Lithium-Metall-Batterien (LMBs) und seit kurzem auch sogenannte „Zero-Excess“- oder „anodenfreie“ LMBs gelten als die nächsten bedeutenden Schritte auf dem Weg zu noch höheren Energiedichten. Sie übertreffen die derzeit vorherrschende Lithium-Ionen-Technologie bei weitem. „Bei Zero-Excess-LMBs geht man im Allgemeinen davon aus, dass Lithium nicht in den Kupferstromkollektor diffundiert oder mit ihm wechselwirkt“, so Tong Li. „In Diskussionen über den Leistungsabfall von LMBs wurde der Lithium-Verlust an den Kupferkollektor bislang weitgehend übersehen.“ (se)

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