Lithium-Ionen-Akkus Darum ist Schnellladen Gift für Batterien

Je schneller ein Lithium-Ionen-Akku geladen wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, ihn irreversibel zu schädigen. Forscher haben nun die dafür verantwortlichen elektrochemischen Vorgänge entschlüsselt – und geben Ratschläge für bessere Batterien.

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Die Interkalation von Lithiumionen (grün) in einer Graphitanode.
Die Interkalation von Lithiumionen (grün) in einer Graphitanode.
(Bild: Argonne National Laboratory)

In neuen Forschungsarbeiten des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben Wissenschaftler ein interessantes chemisches Verhalten eines der beiden Pole beim Laden und Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus festgestellt.

Lithium-Ionen-Akkus enthalten sowohl eine positiv geladene Kathode als auch eine negativ geladene Anode, die durch ein als Elektrolyt bezeichnetes Material getrennt sind, das Lithium-Ionen zwischen ihnen bewegt. Die Anode in diesen Batterien besteht in der Regel aus Graphit. In Lithium-Ionen-Akkus ist der Graphit aus kleinen Partikeln zusammengesetzt, in denen sich die Lithium-Ionen in einem Prozess namens Interkalation einlagern können (von lateinisch intercalare = einschieben: die Einlagerung von Molekülen oder Ionen in chemische Verbindungen, ohne ihre Struktur dabei wesentlich zu verändern). Läuft die Interkalation richtig ab, kann der Akku erfolgreich geladen und entladen werden.

Lithium-Ionen sammeln sich auf der Anoden-Oberfläche

Wird eine Batterie aber zu schnell geladen, so wird die Interkalation schwieriger: Anstatt reibungslos in den Graphit einzudringen, neigen die Lithium-Ionen dazu, sich auf der Oberfläche der Anode anzusammeln, was zu einem „Plating“-Effekt führt, der die Batterie beschädigen kann.

„Plating ist eine der Hauptursachen für die Beeinträchtigung der Batterieleistung während des Schnellladevorgangs“, erklärt der Argonne-Wissenschaftler Daniel Abraham, einer der Autoren der Studie. „Als wir die Batterie schnell aufluden, stellten wir fest, dass sich zusätzlich zu den Ablagerungen auf der Anodenoberfläche auch Reaktionsprodukte in den Elektrodenporen angesammelt hatten. Infolgedessen dehnt sich die Anode selbst bis zu einem gewissen Grad irreversibel aus, was die Leistung des Akkus beeinträchtigt.“

Wiederholtes schnelles Laden verzerrt das Gitter der Graphitatome

Mithilfe der Rasterelektronen-Nanodiffraktion beobachteten Abraham und seine Kollegen von der University of Illinois Urbana-Champaign eine weitere Veränderung an den Graphitpartikeln: Auf atomarer Ebene wird das Gitter der Graphitatome an den Rändern der Partikel durch die wiederholtes schnelles Aufladen verzerrt, wodurch der Interkalationsprozess behindert wird. „Im Grunde genommen sehen wir, dass das atomare Netzwerk im Graphit verzerrt wird, was verhindert, dass die Lithium-Ionen ihr 'Zuhause' im Inneren der Partikel finden – stattdessen lagern sie sich an den Partikeln an“, so Abraham weiter. „Je schneller wir den Akku laden, desto ungeordneter wird die Anode, was letztlich verhindert, dass sich die Lithium-Ionen hin und her bewegen können. Der Schlüssel liegt darin, Wege zu finden, um entweder diesen Verlust an Organisation zu verhindern oder die Graphitpartikel so zu modifizieren, dass die Lithiumionen effizienter interkalieren können.“

Ein auf der Studie basierender Beitrag mit dem Titel „Increased disorder at graphite particle edges revealed by multilength scale characterization of anodes from fast charged lithium-ion cells“ ist in der Ausgabe vom 8. Oktober des Journal of the Electrochemical Society erschienen. Zu den Autoren der Studie gehören neben Abraham auch Marco-Tulio Rodrigues von der Argonne University sowie Jian-Min Zuo und Saran Pidaparthy von der University of Illinois Urbana-Champaign. Die Forschung wurde vom Office of Science des DOE finanziert, und Pidaparthys Forschung wurde durch das Office of Science Graduate Student Research (SCGSR)-Programm finanziert, das darauf abzielt, graduierte Studenten auf MINT-Karrieren vorzubereiten, die für die Aufgaben des DOE von entscheidender Bedeutung sind.

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