Batterieforschung: Alterungsprozesse besser verstehen
Als Diagnosewerkzeug kann die Verteilung der Lithium-Isotope 6 und 7 in einer Zelle dienen, die nach mehreren Ladezyklen einen charakteristischen „Fingerabdruck“ hinterlässt.
(mih) Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch komplexe Alterungsprozesse begrenzt: Mit jedem Lade- und Entladezyklus altern Zellen, ihre Kapazität sinkt und die Leistungsfähigkeit nimmt ab. Die Ursachen dafür sind oft schwer voneinander zu unterscheiden.
Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) konnten zeigen, dass die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in den Zellen wie ein „Fingerabdruck“ direkt mit den Degradationsprozessen zusammenhängt. Dieser Zusammenhang eröffnet neue Möglichkeiten, Alterungsmechanismen besser zu verstehen und Batterien gezielter zu optimieren.
Ausgehend von einem neuen Ansatz nutzt das BAM-Team um Carlos Abad und Beatrice Battistella die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in einer Zelle, um Alterungsprozesse zu diagnostizieren. Die beiden Isotope liefern Spuren und Muster, die wie ein Fingerabdruck charakteristisch für die zugrundeliegenden Degradationsmechanismen sind.
Die Methode macht sich zunutze, dass natürliches Lithium aus den beiden Isotopen Lithium-6 und dem geringfügig schwereren Lithium-7 besteht. Diese beiden Isotope reichern sich nach mehreren Ladezyklen unterschiedlich stark an der Anode bzw. der Kathode an. Gleichzeitig sank die Kapazität der Zellen.
Möglich wurde der Nachweis durch eine hochauflösende Form der Massenspektrometrie, mit der sich die Verteilung der Lithium-Isotope schichtweise über die gesamte Tiefe der Elektroden hinweg bestimmen ließ. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit Nu Instruments in Großbritannien sowie mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden).
