Versuche mit Positronen decken Schwachstellen auf

Forscher erklären Verluste bei Lithium-Akkus

Thomas Gigl und Stefan Seidlmayer messen Batteriezellen mit Positronen. © Wenzel Schürmann / TU München

Akkus, deren Kathode aus einer Mischung aus Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium besteht, gelten derzeit als die Leistungsfähigsten. Doch auch sie haben eine begrenzte Lebensdauer. Schon beim ersten Zyklus verlieren sie bis zu zehn Prozent ihrer Kapazität. Woran das liegt und was gegen den darauffolgenden schleichenden Kapazitätsverlust unternommen werden kann, hat ein interdisziplinäres Wissenschaftlerteam der Technischen Universität München (TUM) mit Hilfe von Positronen erforscht.

So genannte NMC-Akkus, deren Kathoden aus einer Mischung aus Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium bestehen, haben die herkömmlichen Lithium-Kobaltoxid-Akkus weitgehend vom Markt verdrängt. Sie sind billiger und sicherer und werden deshalb unter anderem für Elektro- und Hybridautos eingesetzt. Doch auch bei ihnen tragen nur wenig mehr als 50 Prozent der Lithium-Atome zur tatsächlichen Kapazität bei.

Ließen sich bei der ersten Entladung der an der TU München untersuchten Elektroden noch 62 Prozent der Lithium-Atome aus dem Kristallgitter herauslösen, so kehren beim Wiederaufladen nur noch 54 Prozent zurück. Bei den darauffolgenden Zyklen ist der Verlust zwar wesentlich geringer, jedoch sinkt die Kapazität schleichend immer weiter ab. Nach einigen Tausend Zyklen ist die Restkapazität dann so gering, dass der Akku unbrauchbar wird.

Untersuchungen anderer Gruppen zeigten, dass beim Laden offenbar nicht alle Lithium-Atome wieder in die passenden Lücken im Kristallgitter zurückfinden. Bisherige Methoden konnten allerdings nicht die dafür verantwortlichen atomaren Prozesse zeigen.

Die Lösung brachte die interdisziplinäre Zusammenarbeit: Irmgard Buchberger, Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TU München, wandte sich an Stefan Seidlmayer, der am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II ebenfalls Akkutechnologien erforscht. Er vermittelte den Kontakt zu Christoph Hugenschmidt, der am MLZ das Instrument NEPOMUC betreut. Es erzeugt Positronen, die Antiteilchen der Elektronen, mit denen sich gezielt nach Löchern in Kristallgittern fahnden lässt. "Als extrem kleine und hoch bewegliche Teilchen können Positronen durch Materialien hindurch fliegen. Treffen sie auf ein Elektron, so enden sie auf der Stelle in einem Energieblitz, finden sie eine leere Stelle im Kristallgitter, überleben sie deutlich länger", erläutert Markus Reiner, der die Versuche durchführte.

Die Studie zeigt, dass beim Wiederaufladen verbleibende "Löcher" im Gitter des Kathodenmaterials mit dem irreversiblen Kapazitätsverlust einhergehen und diese Blockade auf die mangelhafte Befüllung der Löcher im Kathodenmaterial zurückzuführen ist. "Nun sind wir als Chemiker wieder an der Reihe", sagt Professor Hubert Gasteiger, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie. "Mit gezielter Modifikation des Kathodenmaterials können wir nun nach Möglichkeiten suchen, diese Barriere zu umgehen." Quelle: TUM / pgl

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