Schnelltest für Lithium-Ionen-Akkus

Lädt man Lithium-Ionen-Akkus zu schnell auf, scheidet sich an den Anoden metallisches Lithium ab. Dies reduziert Kapazität und Lebens­dauer und kann bis zur Zerstörung des Akkus führen. Wissen­schaftler des Forschungs­zentrums Jülich und der Tech­nischen Univer­sität München TUM haben nun ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich diese Lithium Plating genannten Vorgänge erstmals direkt unter­suchen lassen. Grund­legende Fortschritte zur Entwicklung neuer Schnell­ladestrategien rücken damit in greifbare Nähe.

Metal­lisches Lithium, das sich an der Anode von Lithium-Ionen-Akkus abscheidet, gilt als wichtigster limi­tierender Faktor für den Ladestrom. Unter den metal­lischen Abla­gerungen leidet die Leistungs­fähigkeit der Batterie. In extremen Fällen kann sogar ein Kurzschluss oder Brand entstehen. Beim Aufladen der Batterie wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch den flüssigen Elektro­lyten und lagern sich in der porösen Anode aus Graphit ein. Doch je stärker der Ladestrom und je tiefer die Temperatur, desto wahr­scheinlicher wird es, dass sich Lithium-Ionen nicht mehr in der Elektrode einlagern, sondern als feste metal­lische Abla­gerungen auf deren Oberfläche anhäufen.

Obwohl in Grund­zügen bekannt, gibt das Phänomen noch viele Rätsel auf. Denn wie und unter welchen Umständen Lithium Plating einsetzt, ließ sich bis jetzt nicht direkt beobachten. „Mit gängigen mikro­skopischen Methoden können wir die Batterie nur im Nachhinein untersuchen, weil man sie dafür aufschneiden muss“, erläutert Josef Granwehr vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaf­orschung. „Dabei finden zwangsläufig weitere Reaktionen statt, die die Ergebnisse verfälschen.“ Selbst hoch entwickelte Verfahren wie die Neutronen­streuung erlauben bislang nur indirekte Analysen. Zudem ist die verfügbare Messzeit an Forschungs­reaktoren oder großen Teilchen­beschleunigern knapp. Sie sind damit eher für grund­legende Untersuchungen als für langwierige praxis­nahe Versuchs­reihen geeignet.

Das nun entwickelte Elektronen­spinresonanz-Spektro­skopie-Verfahren (ESR) lässt sich dagegen – bei moderaten Anschaffungs­kosten – gut in den Labor­alltag integrieren. Die Methode funk­tioniert ähnlich wie die bekann­tere Kernspin­resonanz (NMR)-Spektro­skopie, zielt aber nicht auf den Kern-, sondern den Elektronen­spin ab. „Die Elektronen werden dabei in einem von außen angelegten statischen Magnet­feld ausge­richtet“, erläutert Granwehr. Anschließend wird die Probe mit Mikro­wellen nach unge­paarten Elek­tronen „abgeklopft“. Diese werden durch Mikro­wellen zum Umklappen im Magnetfeld angeregt, was sich anhand der damit verbundenen Schwächung der Mikrowellen­strahlung messen lässt. Dabei ist die ESR in der Lage, zwischen metal­lischen Lithium-Abla­gerungen und in Graphit einge­bautem Lithium zu unter­scheiden.

„Der Schlüssel zum Nachweis von Lithium Plating mittels ESR war der Aufbau einer Testzelle, die kompatibel mit den Anfor­derungen der ESR-Spektro­skopie ist und gleichzeitig gute elektro­chemische Eigen­schaften aufweist“, erklärt Johannes Wandt. „Wichtig ist auch die Geometrie. Scharfe Messer­gebnisse sind nur dann zu erzielen, wenn die Probe nur dem magnetischen Feld, nicht aber dem zwangs­läufig vorhandenen elek­trischen Feld ausgesetzt ist.“ Um dies zu gewährleisten, hat Wandt eine stäbchen­förmige Zelle entwickelt, mit der sich die Bildung von metal­lischem Lithium direkt und quanti­tativ exakt nachweisen lässt.

„Mit diesem Verfahren wird es nun erstmals möglich, Lithium Plating und die damit verbunden Prozesse differen­ziert zu unter­suchen, was für eine Reihe von Anwen­dungen relevant ist“, erläutert Rüdiger-A. Eichel, Direktor am Jülicher Institut für Energie- und Klima­forschung. „Ein Beispiel ist die Entwicklung von sicheren und gleich­zeitig schnellen Ladeproto­kollen. Mit unserem Verfahren lässt sich jetzt der maximale Ladestrom bis zum Einsetzen des Lithium Plating bestimmen sowie weitere Randbe­dingungen wie die Temperatur und Einfluss der Elektroden­geometrie ermitteln.“ Darüber hinaus eignet sich Methode als Test­verfahren für unter­schiedliche Batterie­materialien, etwa zur Entwicklung neuer Additive, mit denen sich der Effekt des Lithium Plating unter­drücken lässt.

FZJ / JOL