Mehr Akku, mehr Energiewende

Einer künftigen Batteriengeneration auf der Spur

Batterien mit einer Anode aus Kohlenstoff und Silizium speichern mehr Energie als Anoden aus reinem Kohlenstoff. Damit sind sie höchst interessant für die Energiewende. Um ihre Effizienz zukünftig zu steigern, untersuchte das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Lithium-Ionen-Batterien mit Neutronen am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) und entdeckten einen neuen Alterungsmechanismus, der sie von reinen Graphitanoden unterscheidet.

Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe um Ralph Gilles vom MLZ untersuchten Forscher vom ZSW die Kohlenstoff-Silizium-Anode (C/Si-Anode) mit Neutronen. Diese Anoden sind vielversprechend, weil sie bei gleicher Beschichtungsdicke mehr Energie speichern, als herkömmliche Anoden. Im Alltag bedeutet dies, dass Elektroautos mit einer Aufladung längere Strecken fahren und Windkraft effizienter zwischengespeichert werden könnte.

Kalt macht alt

„Um Batterien herzustellen, die länger halten und mehr Energie speichern, müssen wir deren Alterungsprozess verstehen“, sagt Thomas Waldmann vom ZSW. Generell altert eine Batterie, die aufgeladen wird, bei Kälte schneller als bei Raumtemperatur.

Neelima Paul justiert die zu untersuchende Batterie am Instrument STRESS-SPEC – Foto © Wenzel Schürmann, TUM

Für das Neutronenexperiment am Messinstrument STRESS-SPEC setzte das Team gemeinsam mit Instrumentwissenschaftler Michael Hofmann die Batterie einem künstlichen Alterungsprozess aus. Sie kühlten sie auf Minusgrade ab, luden sie auf und beobachteten die Prozesse in der Batterie, während sie in ihren Gleichgewichtszustand zurückkehrte (Relaxationprozess). Während die Batterie lädt, lagern sich die Lithiumionen aus der Elektrolytflüssigkeit in das Gerüst der Anode ein (Lithiierung). Bei einer langsamen Aufladung werden Kohlenstoff und Silizium gleichermaßen lithiiert, erklärt Waldmann.

Neutronen enthüllen Alterungsprozess

Für das Experiment erhöhten die Forscher die Ladegeschwindigkeit. Zuerst nimmt vor allem der Kohlenstoff die Lithium-Ionen auf, später lagern sie sich auch im Silizium ein. Zusätzlich fällt Lithium in Form metallischer Ablagerung auf der Anode aus, wo es an seiner Oberfläche mit Elektrolyt reagiert. Es ist dadurch teilweise nicht mehr für die Batterie verfügbar. Die Batterie altert.

Nachdem der Ladevorgang beendet wird, beginnt die Relaxationsphase. Die Forscher beobachteten dabei zwei Prozesse. Zum einen lagerte sich das metallische Lithium während der Anfangsrelaxation wieder in den Graphit (und vermutlich auch in das Silizium) ein. Die zweite Beobachtung sei noch interessanter. In der späteren Relaxationsphase werde das Lithium umverteilt. Es löse sich aus dem Graphit und gehe eine Verbindung mit Silizium ein. Das bedeute: In C/Si-Anoden laufe der Alterungsprozess anders ab als in reinen Graphitanoden. Die sei mit den Neutronenmessungen nun zum ersten Mal nachgewiesen worden, so die Forscher.

Blick ins Innere des Akkus

“In einem kristallinen Atomgerüst können Neutronen zeigen, wie sich die Lithium-Ionen einlagern (Lithiierung). Reiner Graphit und lithiierter Graphit, sind kristallin. Sobald Lithium jedoch eine Verbindung mit Silizium eingeht, taucht es in den Messergebnissen nicht mehr auf. Dies liegt daran, dass lithiiertes Silizium ein unregelmäßiges Atomgerüst hat. Um den neuen Alterungsmechanismus zu offenbaren, zogen wir also Rückschlüsse aus den gemessenen lithiierten Graphitreflexen“, erklärt Neelima Paul.

Für die Wissenschaftler sind die Ergebnisse ein Wegweiser zu einer zukünftigen Batteriegeneration, die auch die Energiewende beeinflussen kann. Um Akkus mit höherer Speicherkapazität und längerer Lebensdauer zu bauen, werden sie weiter an den Mechanismen in C/Si-Anoden forschen.

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