Forschungsprojekt untersucht Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind leistungsstark und werden überall eingesetzt, von Elektrofahrzeugen bis zu elektronischen Geräten. Allerdings nimmt ihre Kapazität im Laufe von Hunderten von Ladezyklen allmählich ab. Die besten handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien mit Elektroden haben eine Lebensdauer von bis zu acht Jahren. Batterien werden in der Regel mit einem konstanten Stromfluss geladen. Aber ist das wirklich die günstigste Methode? Eine neue Studie aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Philipp Adelhelm am HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin beantwortet diese Frage eindeutig mit Nein. Die Studie in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials analysiert den Einfluss des Ladeprotokolls auf die Lebensdauer der Batterie.

Alterungseffekte analysiert

Ein Teil der Batterietests wurde an der Universität Aalborg durchgeführt. Die Batterien wurden entweder konventionell mit Konstantstrom (CC) oder mit einem neuen Ladeprotokoll mit gepulstem Strom (PC) geladen. Post-mortem-Analysen zeigten nach mehreren Ladezyklen deutliche Unterschiede: Bei den CC-Proben war die Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) an der Anode deutlich dicker, was die Kapazität beeinträchtigte. Außerdem fand das Team mehr Risse in der Struktur der Elektroden, was ebenfalls zum Kapazitätsverlust beitrug. Im Gegensatz dazu führte die PC-Ladung zu einer dünneren SEI-Grenzfläche und weniger strukturellen Veränderungen in den Elektrodenmaterialien.

HZB-Forscher Dr. Yaolin Xu untersuchte anschließend die Lithium-Ionen-Zellen an der Humboldt-Universität Hier gelang es ihm, zu analysieren, was beim Laden mit unterschiedlichen Protokollen passiert. Das Aufladen mit gepulstem Strom fördert die homogene Verteilung der Lithium-Ionen im Graphit. Dadurch verringert sich die mechanische Belastung und Rissbildung in den Graphitpartikeln, sodass die Graphitanode länger stabil bleibt. Die gepulste Ladung unterdrückt u. a. auch strukturelle Veränderungen in den Kathodenmaterialien.

Die Pulsstromfrequenz ist entscheidend

Dabei kommt es jedoch auf die Frequenz des gepulsten Stroms an: die Messreihe mit einem hochfrequent gepulstem Strom verlängerte die Lebensdauer der untersuchten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie am stärksten bis zur Verdopplung der Zyklenlebensdauer (mit 80 Prozent Kapazitätserhalt). Mitautorin Prof. Dr. Julia Kowal, Expertin für elektrische Energiespeichertechnik an der TU Berlin, betont: „Ein gutes Verständnis über den Einfluss von Pulsladung mit verschiedenen Frequenzen auf die SEI-Schicht wird sehr hilfreich sein für die Entwicklung von schonenderen Ladeverfahren.“